WO2022203171A1 - 직류 전열기구의 스마트 온도제어장치 - Google Patents

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heating
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김민자
이화진
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(주)에스피케어인더스트리
김민자
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    • H05B2203/035—Electrical circuits used in resistive heating apparatus

Definitions

  • the present invention relates to a smart temperature control device that can accurately detect temperature over the entire section along the heating wire by using a heating wire using a thermosensitive insulating resin in a heating appliance using a DC power source.
  • An electric blanket for the purpose of electric heating using an AC power source a heating wire is used to heat the electric blanket.
  • the heating wire In electric heating devices such as electric blankets, current flows through the heating wire to keep the temperature of the carpet warm by the generated heat. When the current flows through the heating wire, heat is generated and the temperature rises. If the temperature is not controlled properly, the temperature of the heating wire continues to rise, which can cause burns and fire due to overheating. Therefore, it is necessary to precisely control the temperature through the temperature control device so that the heating part of the electric heating device always stays within the desired temperature range. According to the current Electrical Appliances Safety Standards Act, the maximum temperature radiated from electric heaters is stipulated to be 95 degrees or less.
  • the method of controlling the temperature of the heating device is a method of controlling the supply power by sensing the temperature by separately installing a temperature sensor that detects the temperature of the heating wire and a bimetal sensor, which is a temperature overheating prevention device, for each measurement part.
  • a method of controlling the temperature by placing a thermosensitive insulating resin whose impedance decreases when the temperature rises between the thermosensitive wires and sensing the change in the alternating current flowing through the thermosensitive insulating resin through the thermosensitive insulating resin has been mainly studied.
  • the temperature control can work smoothly when the electric blanket is unfolded in a normal state, but a heavy object is placed on the electric blanket, or a temperature sensor or bimetal sensor is not installed. In this folded state, the temperature may not be sensed properly, resulting in local overheating.
  • a heating wire is used for an area of 100cm x 180cm in case of one person and a length of 25m in case of two people and about 34m in length in an area of 140cm x 180cm in case of two people. It is difficult to evenly install the bimetal sensor in terms of the manufacturing process or in terms of economy. Accordingly, in general, in the case of an electric blanket, a temperature sensor or a bimetal sensor is installed in 2-3 places. In the case of such an electric blanket, when the temperature sensor or the bimetal is not installed, or when it is overheated, it has a structural feature in that the correct temperature is not detected.
  • the outside of the heating wire is insulated with a nylon resin whose impedance changes depending on the temperature, and the heat-sensitive wire is wound on the outside of the nylon resin and then covered with an external insulation material.
  • thermosensitive insulating resin since the heating wire and the heating wire are installed in parallel, it is possible to detect the temperature in all sections where the heating wire is installed and to prevent local overheating. Compared to the method using the bimetal, it can be said that the method is superior in terms of workability, cost, and safety.
  • thermosensitive insulating resin The heat-sensitive wire method using such a thermosensitive insulating resin has been mainly studied as a temperature sensing device for an electric heating device using an AC power source that allows current to flow through the dielectric, which is an insulating resin, due to the characteristic that the impedance of the insulating dielectric decreases when the temperature rises.
  • thermosensitive insulating resin a device for controlling the heating temperature by a heating wire method using a thermosensitive insulating resin has not been developed.
  • the material used as the temperature-sensitive insulating resin is mainly nylon, and nylon is a dielectric.
  • DC electric heaters such as electric blankets and rugs that do not generate electromagnetic waves and have good portability have been developed using DC DC power.
  • Korean Utility Model Publication No. 20-0296244 introduces a DC thermostat for an electronic mat characterized in that the thyristor is triggered at zero volts using a microcontroller after converting the AC input voltage to DC.
  • the voltage used is mainly 5V ⁇ 24V. Compared to AC 220V, the voltage is lower than that of AC 220V, so the safety is excellent. It has the advantage of being portable.
  • the developed DC heating products mainly use a temperature control method using a temperature sensor and a bimetal sensor for temperature control.
  • this bimetal method has poor workability as it includes the problem of not being easily detected when the folded part or local overheating occurs as described above, and the need to install and connect a sensor when laying out the heating cable, and in terms of manufacturing cost. There is a disadvantageous problem.
  • An object of the present invention is to provide an economical smart temperature control device that can accurately control temperature and prevent local overheating by using a heating wire using a thermosensitive insulating resin for a DC electric heating device.
  • Another object of the present invention is to provide a temperature control device for a DC electric heater that can safely protect the electric heater from local heating of the DC electric heater, a failure of a heating wire, and a failure of a power device for temperature control, and can be manufactured economically.
  • a temperature control device for a heating device using a DC power source, the heating cable of the heating device comprising: a heating wire coated with a thermosensitive insulating resin and heated by the DC power supply; and a heat-sensitive wire spirally wound outside the coated temperature-sensitive insulating resin.
  • the temperature control device includes a heating cycle in which the DC power is supplied to the heating wire through a power control element to heat the heating wire, and a temperature sensing cycle in which a pulse signal voltage is supplied to the heating wire to generate a temperature sensing current.
  • the temperature sensing voltage signal by the temperature sensing current flowing through the thermosensitive insulating resin is received through the temperature-sensitive insulating resin by the pulse signal voltage, and the temperature sensing voltage signal is Accordingly, by controlling the power control element in the heating cycle, it is characterized in that the heating temperature of the electric heating mechanism is controlled.
  • the temperature control device generates the pulse signal voltage by outputting an OFF/ON output signal to the gate of the power control device one or more times in the temperature sensing period to turn-OFF/ON the power control device characterized in that
  • the temperature control device is characterized in that the temperature sensing period is performed for every 300 ⁇ 1000ms for 15 ⁇ 30ms.
  • the temperature control device may include: a temperature sensing signal unit configured to form a temperature sensing signal voltage by sensing a temperature sensing current in which the pulse signal voltage flows to the thermal wire through the thermosensitive insulating resin; a temperature sensing control voltage converter for amplifying a signal current input from the temperature sensing signal voltage of the temperature sensing signal unit to generate a temperature sensing control voltage; an output control unit including the power control element for controlling the supply of DC power supplied to the heating wire; and transmits a control signal for a heating cycle and a detection cycle to the power control device according to a programmed process, receives a temperature sensing control voltage of the temperature sensing control voltage converter, and turns ON/OFF of the power control device of the output control unit
  • a central control device comprising controlling the; It is characterized in that it includes.
  • the temperature sensing signal unit is connected to one terminal S1 and the other terminal S2 of the heating wire at the first sensing node SV1, and is connected to the first sensing node SV1 and the other terminal of the heating wire.
  • a first voltage sensing capacitor is connected between the first terminal nodes nd1, and a temperature sensing signal voltage according to the heating temperature of the heating wire is formed in the first voltage generating capacitor.
  • the first voltage generating capacitor is characterized in that it has a capacitor capacitance value corresponding to 100 to 1000 times the capacitor capacitance of the temperature-sensitive insulating resin.
  • the temperature sensing control voltage conversion unit through the third divider resistor R3 connected in series with the second divider resistor R2 from the first sensing node SV1 through the input diode D2, to a second power supply unit ( DC-), and the connection point of the second dividing resistor (R2) and the third dividing resistor (R3) is connected to the base of the current amplifying first transistor (TR1), and the current amplifying first transistor (TR1).
  • the collector of the first transistor TR1 is connected to the first power supply unit DC+ of the DC power supply through the fourth resistor R4, and the emitter of the current amplification type first transistor TR1 has a second capacitor C2 It is connected to the ground through a fifth resistor R5 connected in parallel, and the emitter of the first transistor TR1 is input to the temperature sensing voltage terminal of the central control device, and the central control device is When it is determined that the temperature sensing control voltage input to the temperature sensing voltage terminal is higher than the set temperature voltage, the power control element is controlled to turn OFF.
  • the temperature control device further includes an operation power supply unit for supplying a DC operation power to the internal temperature control circuit
  • the temperature sensing control voltage conversion unit is an emitter of the current amplifying type first transistor (TR1) and a second capacitor ( C2) is connected to the +5V side of the operation power supply through the third diode (D3) for protection of the central controller, and the central controller has a temperature sensing voltage input to the temperature sensing voltage terminal.
  • the preset normal input voltage range is 4.8V or less than 0.2V
  • the power control device is controlled to TURN OFF, and then the control output of the power control device of the central control device is not restarted. It is characterized in that the control to stop.
  • one terminal H1 of the heating wire is connected to the first power supply unit DC+ of the DC power supply
  • the other terminal H2 of the heating wire is one terminal of the first power control element FET1 of the output control unit. and, the other terminal and one terminal of the first power control element are connected, and the other terminal of the second power control element connected in series is connected to the second power supply unit (DC-).
  • the gates of the first power control device and the second power control device are respectively connected to the gate output terminals A and B of the central control device, and a sixth divider resistor ( R6) is connected in parallel, and a seventh divider resistor R7 is connected in parallel to both terminals of the second power control element, and a connection point 2 between the sixth divider resistor R6 and the seventh divider resistor R7 is connected to the operation monitoring signal terminal (SV4) of the central control device, and the connection point 2 is connected to the +5V side of the operation power unit through a fourth diode (D4), and the sixth divider resistor
  • the resistance values of (R6) and the seventh dividing resistor (R7) are characterized in that the resistance values are distributed so that the monitoring voltage of the connection point 2 is set in the range of 1 to 4V in a normal temperature sensing period, and the central controller detects the temperature.
  • an OFF control signal is output through the gate output terminals A and B, and the operation is not restarted thereafter. It is characterized in that the control is performed to stop the output of the gate output terminals (A, B) of the central control device.
  • a heating wire using a temperature-sensitive insulating resin around the heating wire of the DC heating device accurate temperature sensing can be performed over the entire section along the heating wire, thereby preventing accurate temperature control and local overheating.
  • a temperature control device can be provided.
  • the installation process of a separate temperature sensor or bimetal sensor can be excluded, and a heating cable wound with a heating wire covered with a temperature-sensitive insulating resin.
  • the DC heat transfer mat can be economically manufactured by a simple operation process of placing and sewing on the mat, and the temperature control device can be economically manufactured using only a minimum of electronic components.
  • the temperature control device inputs a temperature sensing voltage signal by charging and discharging current flowing through the thermosensitive insulating resin to the thermosensitive wire at every sensing cycle in which a pulse signal is generated in a state in which a heating wire and a DC voltage are applied. This allows for accurate temperature sensing.
  • the temperature control device can detect the temperature through the entire heating wire section even if local overheating occurs in a part of the heating wire, so it is more accurate and faster than a conventional temperature sensor and a temperature control device using a bimetal. It has the effect of being able to control the temperature.
  • the temperature control device can effectively control the heating temperature by DC power with a minimum of parts by applying a simple circuit configuration, so that the workability is good, the manufacturing process can be reduced, and it is economical.
  • the temperature control device configures a circuit that detects even when the insulation between the heating wire and the heating wire is broken and makes a spiral contact, so that the heating circuit can be effectively and quickly cut off.
  • one of the power control elements fails due to a fault in the circuit characteristic of supplying DC power to the heating wire by connecting two power control elements in series. Even when not in use, the heating circuit can be cut off effectively and quickly.
  • the temperature control device of an electric heater can reduce the generation of electromagnetic waves by using a DC power source, and there is no risk of electric shock due to a low voltage used. It has the advantage of being able to detect temperature and prevent local overheating without doing so.
  • FIG. 1 illustrates a temperature control device for a DC power supply according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows the structure of a heating cable according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a temperature sensing signal induced in the thermal wire SW1 in a state in which the first voltage generating capacitor C1 is not installed in the temperature control device.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a temperature sensing signal voltage waveform input from the heat sensing wire SW1 in a state in which the first voltage generating capacitor C1 is installed in the temperature sensing signal unit 17 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a temperature sensing signal voltage waveform input from the heat sensing wire SW1 in a state in which the first voltage generating capacitor C1 is installed in the temperature sensing signal unit 17 according to an embodiment of the present invention; 4 shows a case where the temperature of the heating wire is high.
  • TSR temperature-sensitive insulating resin
  • first and second may be used. These terms are only for distinguishing the elements from other elements, and the essence, order, or order of the elements are not limited by the terms.
  • a component is 'connected', 'coupled' or 'connected' to another component, the component may be directly connected, coupled or connected to the other component, but the component and the other component It should be understood that another element may be 'connected', 'coupled' or 'connected' between elements.
  • FIG. 1 illustrates a temperature control device for a DC power supply according to an embodiment of the present invention.
  • the heating cable of the electric heating device is insulated by filling a temperature sensitive insulating resin (TSR) between the outside of the heating wire HW1 and the heating wire SW1.
  • TSR temperature sensitive insulating resin
  • the temperature-sensitive insulating resin refers to an insulating resin whose impedance decreases when the temperature rises, and the impedance increases when the temperature falls.
  • the temperature-sensitive insulating resin is nylon resin is applied.
  • Nylon resin is a dielectric that is an insulator, and it has a characteristic that the impedance is large at low temperature and the impedance decreases as the temperature increases. It has a characteristic that a discharge sensing current can flow.
  • a heating cable includes a heating wire coated with a temperature-sensitive insulating resin and heated by a DC power supply; and a heat-sensitive wire spirally wound outside the coated temperature-sensitive insulating resin. It is characterized in that it includes.
  • a heating wire (HW1) is formed in the center, and the heating wire (SW1) and the heat-sensitive wire (SW1) are placed close to the extent to which insulation can be maintained, and the space between them It is formed in a structure insulated with temperature-sensitive insulating resin (TSR).
  • TSR temperature-sensitive insulating resin
  • the heat-sensitive wire SW1 is used as a temperature-sensing wire for measuring the temperature of the temperature-sensitive insulating resin.
  • FIG. 2 shows the structure of a heating cable according to an embodiment of the present invention.
  • TSR temperature-sensitive insulating resin
  • thermosensitive insulating resin which is an insulator for direct current, so that the temperature sensing current does not flow.
  • a pulse signal current by the pulse signal voltage supplied to the heating wire HW1 is transmitted to the heating wire SW1 through the temperature-sensitive insulating resin (TSR). It may be transmitted to the heat-sensitive wire SW1 and flow to the ground side.
  • TSR temperature-sensitive insulating resin
  • the pulse signal current by the pulse signal voltage is transmitted to the heat-sensitive wire SW1 through the temperature-sensitive insulating resin TSR. Since the temperature-sensitive insulating resin changes its impedance according to the temperature, the current is changed according to the temperature of the temperature-sensitive insulating resin. For example, when the temperature of the thermosensitive insulating resin increases, the current by the pulse voltage increases, and when the temperature of the thermosensitive insulating resin decreases, the current by the pulse voltage decreases.
  • the temperature control device senses the temperature in the temperature sensing period by using the characteristic that the current through the thermosensitive insulating resin by the pulse signal voltage changes according to the temperature as described above, and flows through the heating wire HW1. By controlling the current, it is characterized in that the heating temperature of the heating wire (HW1) is controlled.
  • the temperature control device supplies DC power to the heating wire HW1 through a power control element to heat the heating wire HW1 with a heating cycle and pulses to the heating wire HW1
  • the control is performed so that the temperature sensing cycle in which the signal voltage is supplied and the temperature sensing current is generated alternately.
  • a temperature sensing voltage signal by a sensing current flowing through the thermosensitive insulating resin is received from the heating wire HW1 by the pulse signal voltage, and the heating cycle according to the temperature sensing voltage signal It is characterized in that by controlling the power control element to control the heat dissipation temperature of the electric heating mechanism.
  • the pulse signal voltage is generated by turning the power control element supplying DC power to the heating wire (HW1) during the temperature sensing period (20 ms in one embodiment) to turn-OFF/ON operation, characterized in that do.
  • a pulse signal voltage may be supplied to the heating wire during the temperature sensing period by a separate pulse generator.
  • one terminal H1 of the heating wire HW1 is connected to the first power supply unit DC+ of the DC power source, and the other terminal of the heating wire HW1.
  • H2 is a second power control device connected in series with the first power control device FET1 by being connected to the first terminal node nd1 to which the first terminal of the power control devices FET1 and FET2 is connected ( The circuit is configured to be connected to the ground side through the FET2).
  • the second power supply unit DC- is connected to the power ground.
  • one terminal S1 and the other terminal S2 of the thermal wire SW1 are connected together to the first sensing node SV1, and the other side of the first sensing node SV1 and the heating wire HW1
  • a first voltage generating capacitor C1 is connected between the terminal H2 and the connected first terminal node nd1.
  • a temperature sensing signal voltage is formed in the first voltage generating capacitor C1 through the heating wire SW1 according to the heating temperature of the heating wire.
  • the temperature control device outputs an OFF/ON output signal to the gate of the power control device at least once in the temperature sensing period to turn-OFF/ON the power control device to generate a pulse signal voltage. characterized.
  • the temperature control device in the heating cycle, the current by the DC supply voltage of the DC power flows through the heating wire HW1 and the power control elements FET1 and FET2 to heat the heating wire HW1, and , in the sensing period, the sensing current by the pulse signal voltage flows through the thermosensitive insulating resin (TSR) to the thermal wire (SW1), so that the temperature control device uses the change in the sensing current to open the power control element. / Characterized in controlling the lungs.
  • TSR thermosensitive insulating resin
  • a temperature control apparatus includes: an operation power supply unit 11 for supplying DC operation power to a heating wire (HW1) and a built-in temperature control circuit; a temperature sensing signal unit 17 for sensing a temperature sensing current in which the pulse signal voltage flows to the thermal wire SW1 through the thermosensitive insulating resin (TSR) to form a temperature sensing signal voltage; a temperature sensing control voltage converting unit 13 for amplifying the signal current input from the temperature sensing signal voltage of the temperature sensing signal unit 17 and converting it into a temperature sensing control voltage; an output control unit (14, 15) including a power control element for controlling the supply of DC power supplied to the heating wire (HW1); According to a programmed process, control signals for the heating cycle and temperature sensing cycle are transmitted to the power control elements 14 and 15 of the output control unit, and the temperature sensing control voltage of the temperature sensing control voltage converting unit 13 is received. a central control unit 17 for controlling ON/OFF of the output control unit and controlling each unit; and
  • the DC power supply of the DC electric heater according to an embodiment of the present invention will be described as supplying DC 24V as a supply voltage. This is only an example for explaining the invention, and it can be used in all DC voltages such as 12V and 5V by applying the same technical features.
  • the temperature sensing signal unit 17 has one terminal S1 and the other terminal S2 of the thermal wire SW1 connected to a first sensing node SV1, and the first sensing node
  • a first voltage generating capacitor C1 is connected between SV1 and the first terminal node nd1 connected to the other terminal of the heating wire HW1.
  • a temperature sensing signal voltage is formed in the first voltage generating capacitor (C1) by a current flowing through the heating wire (SW1) according to the heating temperature of the heating wire.
  • the first terminal node nd1 is connected to one terminal of the first power control device FET1.
  • the temperature sensing control voltage converter 13 is connected to the ground from the first sensing node SV1 through an input diode D2 and through a third divider resistor R3 connected in series with the second divider resistor R2. becomes this
  • a second sensing node SV2 is formed at a connection point between the second divider resistor R2 and the third divider resistor R3, and the second sensing node SV2 is the current amplification type first transistor TR1. connected to the base.
  • the collector of the current amplification type first transistor TR1 is connected to the first power supply unit DC+ of the DC power supply through a fourth resistor R4, and the emitter of the current amplification type first transistor TR1 is the second
  • the capacitor C2 is connected to the ground through a fifth resistor R5 connected in parallel.
  • the emitter of the first transistor TR1 is an output terminal of the temperature sensing control voltage conversion unit 13 , and is connected to the temperature sensing voltage terminal which is the third sensing node SV3 and is input to the central control unit 17
  • the NPN current amplification type first transistor TR1 is connected in the emitter follower method to amplify the current. characterized in that In the temperature sensing control voltage converter 13, the first power supply (DC+) of the DC power - the fourth resistor (R4) - the collector of the current amplifying type first transistor (TR1) - the emitter - the fifth resistor (R5) - the ground The amplified current flows in the order of
  • the current flowing through both ends of the fifth resistor R5 is charged in the second capacitor C2 to form a temperature sensing control voltage, and the temperature sensing control voltage is transmitted through the temperature sensing voltage terminal of the third sensing node SV3 to the microcomputer ( 20) is entered.
  • the temperature sensing control voltage converter 13 further includes a first microcomputer protection circuit.
  • the first microcomputer protection circuit connects the connection point of the emitter of the current amplifying type first transistor TR1 and the second capacitor C2 to the +5V side of the operation power unit through the third diode D3 for protecting the first microcomputer. .
  • the voltage input to the microcomputer 20 by the first microcomputer protection circuit does not exceed +5V.
  • the first microcomputer protection circuit applies a high voltage of 24V and +5V to the microcomputer 20 for reasons such as breakdown of the insulation of the thermosensitive insulating resin due to overheating, etc. This is to prevent excessive voltage from being input.
  • the emitter-follower method of the first transistor TR1 is used as a method for amplifying the signal current input from the temperature sensing signal voltage in the temperature sensing control voltage converter 13, but in another embodiment, an equal means for amplifying an input voltage signal such as an OP AMP may be used instead of the NPN first transistor TR1.
  • the central control device of the temperature control device may be applied to a microcomputer having a central processing unit built-in in one chip.
  • the first power control device FET1 and the second power control device FET2 are in ON/TURN-OFF/TURN-ON state for 20 ms, and the heating wire HW1 )
  • a pulse signal voltage of 24V-0V-24V is generated at the voltage of the first terminal node nd1 connected to the H2 terminal, which is the other terminal.
  • the pulse signal voltage of 24V-0V-24V generated in the temperature sensing period varies according to the time of the temperature sensing period. The current is charged and discharged, and a temperature sensing signal appears at the point of the first sensing node SV1.
  • the charging and discharging current is only 24 [V], which is very low, unlike the AC voltage of 220 [V], and the temperature sensing signal current by the very weak pulse signal voltage flows in the form of a sawtooth wave. The distinction may not be clear.
  • FIG. 3 shows a temperature sensing signal induced in the thermal wire SW1 at the first sensing node SV1 in a state where the first voltage generating capacitor C1 is not installed in the temperature sensing signal unit 17 .
  • the temperature sensing signal output to one terminal S1 of the heat-sensitive wire SW1 in a state where the impedance of the temperature-sensitive insulating resin placed between the heating wire HW1 and the heat-sensitive wire SW1 is large is in the form of a sawtooth wave. As it flows in a slope, the current according to the temperature change can be measured, but the classification according to the temperature change is not clearly distinguished.
  • the first terminal node connected to the other terminal H2 of the first sensing node SV1 and the heating wire HW1 in order to convert the above weak sawtooth signal into a clear square wave signal. It is characterized in that the first voltage sensing capacitor (C1) is connected between (nd1).
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a temperature sensing signal voltage waveform input from the heat sensing wire SW1 in a state in which the first voltage generating capacitor C1 is installed in the temperature sensing signal unit 17 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a temperature sensing signal voltage waveform input from the heat sensing wire SW1 in a state in which the first voltage generating capacitor C1 is installed in the temperature sensing signal unit 17 according to an embodiment of the present invention; 4 shows a case where the temperature of the heating wire is high.
  • the temperature sensing period according to an embodiment of the present invention is set to TURN-ON at a period of 400 ms and TURN-OFF-ON for 20 ms.
  • the temperature sensing signal voltage can be clearly displayed as a square wave.
  • the capacitor of the thermosensitive insulating resin increases from 3 nF to 10 nF. This is because the impedance decreases as the temperature increases due to the characteristics of the temperature-sensitive insulating resin (TSR).
  • a sine wave AC of 60 Hz is supplied from commercial AC power, but a square wave of 2 to Hz is supplied for the pulse signal voltage used for the temperature sensing period according to an embodiment of the present invention.
  • the power consumption of the heating wire HW1 is reduced. That is, as the pulse signal increases in the temperature sensing period (the frequency increases), the power consumption used for heating the heating wire HW1 decreases.
  • TSR temperature-sensitive insulating resin
  • the temperature sensing signal current flowing through the temperature-sensitive insulating resin (TSR) is lower than the AC voltage even though the capacitor is the same. A disadvantage of being small may occur.
  • a first voltage is sensed between the first sensing node SV1 and the first terminal node nd1, to which one terminal S1 and the other terminal S2 of the thermal wire are connected. It is characterized in that by connecting the capacitor C1, the pulse waveform in which the temperature signal current is accumulated in the first sensing node SV1 is clearly displayed.
  • the capacity of the first voltage generating capacitor C1 is preferably 0.3 to 3uF, which corresponds to 100 to 1000 times the capacity of the capacitor of the thermosensitive insulating resin at room temperature.
  • FIG. 4 shows an initial waveform in a state in which the first voltage generating capacitor C1 having a capacity of 1 uF is installed.
  • the first sensing node SV1 is measured using a 100:1 probe
  • the second sensing node SV2 is measured using a 1:1 probe.
  • thermosensitive insulating resin TSR
  • HW1 initial heating wire
  • the waveform of the first sensing node SV1 shows -20 [V] in the heating cycle in which the heating current flows, and the heating current does not flow.
  • the voltage of the square wave pulse waveform appears as +4[V].
  • the sensing current flows in the order of the input diode D1 - the second dividing resistor R2 - the third dividing resistor R3 - the ground, so that the voltage across the third dividing resistor R3 A waveform appears.
  • the capacitor of the temperature-sensitive insulating resin (TSR) is increased. That is, as described above, when the temperature of the temperature-sensitive insulating resin (TSR) rises to 90°C as described above, the capacitor of the temperature-sensitive insulating resin increases in capacity from 3 [nF] to 10 [nF].
  • the waveform of the first sensing node SV1 is -10 [V] in the heating cycle and about +15 [V] or more appears in the temperature sensing cycle. In addition, it can be seen that a pulse waveform of 15 [V] appears in the temperature sensing period at the second sensing node SV2.
  • a pulse signal voltage is generated only by the operation of turning the power control device OFF/ON in a short time during the temperature sensing period, so that the temperature sensing signal voltage according to the temperature change is transferred to the first sensing node ( It can be seen that SV1) and the second sensing node SV2 are generated.
  • the temperature sensing signal voltage waveform is generated as the temperature rises, the current is weak, so it may have a weakness that is difficult to analyze in the microcomputer.
  • the temperature sensing signal voltage is clearly distinguished in the range of 0 to 5 [V]. It characterized in that it further comprises a temperature sensing control voltage conversion unit 13 for converting the temperature sensing control voltage.
  • the temperature sensing control voltage converter 13 of the present invention amplifies and converts the signal current using the emitter-follower method of the NPN transistor.
  • the sensing signal voltage input from the temperature sensing signal unit 17 is input to the base of the current amplifying first transistor TR1 and the current amplified is performed. After that, the signal output to the emitter is converted and used as a temperature sensing control voltage signal.
  • the temperature sensing control voltage signal output from the temperature sensing control voltage conversion unit 13 is input to the central control unit 17, MACOM, and the microcomputer receives the input temperature sensing control voltage signal.
  • a control signal is sent to the gates of the power control elements (FET1, FET2) of the output control units 14 and 15 to control the power supply of the heating wire (HW1), thereby smoothing the ignition temperature. be able to control
  • the central control unit 17 includes a central processing unit in one chip, such as an arithmetic processing unit, a memory unit, an input/output unit, etc. by LSI (large scale integration) in a microprocessor.
  • LSI large scale integration
  • a microcomputer chip to which is added is used.
  • the operation power supply unit 11 supplies a 5V DC voltage as a control voltage of each unit.
  • the operation power supply unit 11 includes a power switch SW1 for switching the opening and closing (ON/OFF) of the operation power supply.
  • the temperature setting unit 12 may select a desired set temperature by adding or subtracting a resistance value of the variable resistor VR1 by a user.
  • the central control unit 17 compares the voltage corresponding to the set temperature selected by the temperature setting unit 12 with the temperature sensing control voltage signal input from the temperature sensing control voltage converting unit 13, and the temperature sensing control voltage signal is set at the set temperature. If it is lower than the corresponding voltage of , the output of the central control unit 17 is maintained as an ON signal. In addition, if the input temperature sensing control voltage signal is higher than the voltage corresponding to the set temperature, it is programmed to output the A and B outputs of the central control unit 17 as an OFF signal.
  • the central control unit 17 generates a temperature measurement pulse signal that periodically outputs an OFF-ON signal to the A and B output terminals in the set temperature sensing period.
  • the temperature measurement pulse signal according to an embodiment of the present invention is characterized in that it is generated by outputting LOW/HIGH signals to the gates of the first and second power control elements (FET1, FET2) one or more times during a time set in the temperature sensing period. .
  • the ON-TURN OFF-TURN ON operation of the first and second power control elements FET1 and FET2 is performed at a set time of 20 ms by the temperature measurement pulse signal, so that the heating wire HW1 An instantaneous pulse voltage is applied. .
  • the central controller 17 maintains the ON signal in the set heating cycle, and outputs the Off-ON output signal to A and B for a set time in the temperature sensing cycle to turn OFF the power control elements FET1 and FET2 - TURN ON.
  • the central control unit 17 supplies a pulse signal voltage which is turned OFF - TURN ON, which is periodically generated for each temperature sensing period, to the heating wire HW1, so that the temperature sensing current flowing through the temperature-sensitive insulating resin (TSR) It is characterized in that the FET1 and FET2 are controlled by receiving the temperature sensing signal by the temperature sensing control voltage.
  • the central control device 20 supplies DC power to the heating wire HW1 through a power control element to generate a heating cycle for heating the heating wire HW1 and pulses to the heating wire HW1.
  • the control is performed to alternately have the temperature sensing cycle to generate the temperature sensing current by supplying the signal voltage.
  • the temperature sensing cycle is performed for 15 to 30 ms every 300 to 1000 ms.
  • the power control elements (FET1, FET2) maintain the ON state, DC power is supplied to the heating wire (HW1), and then for 15 ⁇ 30ms, the power control elements (FET1, FET2) turn OFF-TURN ON
  • the temperature measurement pulse signal voltage is supplied to the heating wire (HW1).
  • the A and B output terminals are kept ON signal (HIGH) for 400 ms, the OFF-ON (LOW-HIGH) signal is output for the following 20 ms, and then For another 400ms, the ON (HIGH) signal is controlled so that it is performed alternately. That is, the heating current flows for 400 ms, and the heating current does not flow for 20 ms.
  • the ratio of the heating cycle to the temperature sensing cycle was set to 20:1. This ratio can be changed to 30:1, 40:1, or 50:1 depending on the purpose of the power device. As the ratio increases, the efficiency of the current flowing to the heating wire HW1 may be improved, but the frequency of temperature sensing may decrease, so that the temperature sensing efficiency may decrease. Therefore, this ratio can be applied variably according to the type, thickness, and length of the heating wire of the temperature-sensitive insulating resin.
  • the first power supply unit DC+ may further include a fuse unit F1 that blocks the circuit when an overcurrent equal to or greater than a set current flows between one terminal H1 of the heating wire HW1.
  • thermosensitive insulating resin When a direct current flows, the temperature of the thermosensitive insulating resin increases due to the heat of the heating wire, and the impedance of the thermosensitive insulating resin decreases.
  • the temperature sensing control voltage of the third sensing node SV3 to which the output of the temperature sensing control voltage converting unit 13 is connected increases and becomes an input.
  • the output signal is HIGH through the output terminals A and B of the central control unit 17 ⁇
  • the first and second power control elements FET1 and FET2 are controlled to TURN OFF.
  • the first and second power control elements are turned OFF so that the heating current does not flow. do.
  • the central control unit 17 When the temperature sensing control voltage signal input from the third sensing terminal SV3 is lower than the voltage set by the temperature setting unit 12 according to the sequence programmed in the central control unit 17, the central control unit 17 outputs By switching the output signal from LOW to HIGH through terminals A and B, the first and second power control elements FET1 and FET2 are controlled to turn ON again. By repeating this process, the heating temperature by the heating wire HW1 can be kept constant within the set temperature range.
  • the temperature sensing control voltage signal when a failure such as insulation breakdown of the thermosensitive insulating resin, a failure of the power control device, or an internal failure of the temperature control device occurs, the temperature sensing control voltage signal is It is characterized in that the circuit is configured so that it is input outside the range of the preset normal input voltage.
  • the central control device 17 if it is determined that the temperature sensing control voltage signal is out of the preset normal input voltage range while the operating power is turned on, the first and second power control The devices (FET1, FET2) are set and controlled by a program to turn OFF.
  • the control is performed to stop the A and B outputs of the central control unit 17 so that the operation is not restarted.
  • it may further include a configuration for controlling the LED of the display unit 16 to blink in a warning form at the same time so that the user can recognize it.
  • the range of the preset normal input voltage as described above in the central control unit 20 is set to a maximum value of 4.8V to a minimum value of 0.2V.
  • the local overheated part of the entire section of the heating wire has the highest temperature, and if this phenomenon continues, it may lead to a fire.
  • the nylon resin impedance of the entire section placed between the heating wire and the heat-sensitive wire is in a state of being configured in parallel.
  • the temperature of the resin also rises.
  • the temperature of the local overheating part becomes above the set temperature, and the temperature sensing control voltage of the third temperature sensing node SV3 by the temperature sensing signal voltage of the first temperature sensing node SV1 rises beyond the set voltage range. do.
  • the central control device 17 senses the temperature sensing signal voltage due to such a local temperature rise, and converts the output signal from HIGH to LOW through the output terminals A and B to convert the first and second power control elements FET1 , FET2) can be turned OFF to prevent overheating by cutting off the DC power supply.
  • thermosensitive insulating resin is destroyed by overheating or an external environment, which may cause a short circuit between the heating wire and the sensing wire.
  • the current flows in the order of the first power supply (DC+) - F1 - H1 - heating wire (HW1) - short part - thermal wire (SW1) - S1, S2 - D2 - R2 - R3 - ground. do.
  • a DC power of 24V is distributed to the second and third distribution resistors, so that a high temperature detection signal voltage of 10V or more is applied. Accordingly, a large amount of current flows to the emitter side of TR1 of the temperature sensing control voltage converter 13 according to an embodiment of the present invention, and the voltage across the second capacitor C2 exceeds 5V.
  • a voltage exceeding 5 [V] is applied to the third sensing node SV3 connected to the second capacitor C2 by the first microcomputer protection circuit including the voltage limiting diode D3. It flows to the operation power unit 11 by the three diodes D3, and the maximum voltage is limited so that 5 [V] is input. .
  • the third detection node SV3 which is the input terminal of the central control device 17, is subjected to temperature sensing control.
  • a voltage signal of 5V is input.
  • the central control unit 17 determines that the input exceeds the preset normal input voltage range (4.8 to 0.2 [V]), and the first and second The power control elements (FET1, FET2) are controlled to turn OFF.
  • FET1, FET2 The power control elements
  • the switching control cannot be controlled due to a failure of the switching element when used for a long period of time. If the switching control is not performed in this way, even if a LOW signal is sent to the gate due to overheating, the switching element remains ON, which may lead to an accident due to overheating.
  • the temperature control device in order to prevent such a failure type, two power control elements are connected in series to the configuration of the output control units 14 and 15, and the central control unit 17 simultaneously gates It is characterized in that it is configured to transmit the same control signal to the gates of the two power control elements through the output terminals (A, B).
  • one terminal H1 of the heating wire HW1 is connected to the first power supply unit DC+ of the DC power
  • the other terminal H2 of the heating wire HW1 is the first power It is connected to one terminal of the control element FET1
  • the other terminal of the first power control element FET1 is connected to the other terminal and the other terminal and the other terminal of the second power control element FET2 connected in series to the other terminal of the DC power supply unit is connected to the second power supply (DC-) of Gates 1 and 2 of the first power control device FET1 and the second power control device FET2 are respectively connected to the first and second gate output terminals A and B of the central control device 17, and the central The control device 17 always transmits the same control signal to the first and second gate output terminals A and B.
  • a sixth divider resistor R6 is connected in parallel to both terminals of the first power control element FET1
  • a seventh divider resistor R7 is connected in parallel to both terminals of the second power control element FET2.
  • the connection point of the sixth divider resistor R6 and the seventh divider resistor R7 is connected to the operation monitoring signal terminal SV4 of the central control unit 17 .
  • the connection point is connected to the +5 [V] side of the operation power unit through the fourth diode D4 for protecting the second microcomputer.
  • a voltage exceeding 5 [V] is applied to the operation signal detection terminal SV4 connected to the connection point by the second microcomputer protection circuit including the fourth diode D4.
  • the temperature control device is such that the monitoring voltage of the connection point of the sixth distribution resistor R6 and the seventh distribution resistor R7 is set in the range of 1 to 4 [V] in the temperature sensing period. It is characterized in that the resistance values of the sixth and seventh distribution resistors R6 and R7 are distributed in the range of 23 to 21: 1 to 3 to distribute the resistance values.
  • the central control unit 17 turns OFF the first and second gate output terminals (A, B) when a voltage is input to the operation signal detection terminal (SV4) exceeding or less than the range of the normal monitoring voltage set in the temperature detection period.
  • a control signal (LOW signal) is output, and control is performed to stop the A and B outputs of the central control unit 17 so as not to restart the operation thereafter.
  • the central control unit 17 controls the LED of the display unit 16 to blink in a warning form at the same time.
  • the resistance values of the sixth divider resistor (R6) and the seventh divider resistor (R7) are divided by 21.5: 2.5 so that the monitoring voltage has a voltage value of 2.5V in the temperature sensing period.
  • the central control device 17 receives a voltage exceeding 3 [V], which is the range of the normal monitoring voltage in the temperature sensing period, or a voltage less than 2 V is input to the operation signal detection terminal SV4, the first and second The OFF control signal (LOW signal) is output to the gate output terminals A and B, and the control is performed to stop the output of the first and second gate output terminals A and B so that the subsequent process does not proceed.
  • the output control units 14 and 15 include a configuration in which the first power control device FET1 and the second power control device FET2 are connected in series as described above, thereby controlling any one of the power Even if the device is short-circuited, it has the effect of safely shutting off the heating circuit.
  • FET1 and FET2 are in the ON state for 400 ms, and alternately in the OFF state for 20 ms, which is the subsequent temperature sensing period, and current flows through the heating wire HW1.
  • FET1 and FET2 are in the ON state and the other terminal is connected to the ground, so the ground potential 0 [V] appears at the operation signal sensing terminal SV4.
  • one terminal of the sixth divider resistor R6 and the other terminal of the seventh divider resistor R7 are A voltage of 24V is applied.
  • the resistance values of the 6th divider resistor (R6) and the 7th divider resistor (R7) are distributed as 21.5:2.5, so when it operates normally, the monitoring voltage of the operation signal detection terminal (SV4) is 2.5V to the microcomputer (20). is input
  • the sixth distribution resistor R6 is in a short-circuited state by the first power control element FET1 connected in parallel.
  • a 24V pulse voltage is applied to both ends for 20 ms, and accordingly, the maximum voltage 5 [V] is input to the monitoring voltage of the operation signal detection terminal SV4 by the second microcomputer protection circuit.
  • the central control unit 17 determines that a voltage exceeding 3 [V] is input to the operation signal detection terminal SV4, and provides an OFF control signal (LOW signal) to the first and second gate output terminals A and B. By outputting , the second power control device FET2 is turned OFF, so that the DC power supply of the heating wire HW1 may be cut off.
  • the seventh distribution resistor R7 is short-circuited by the second power control element FET2 connected in parallel, so the operation signal detection terminal ( SV4) is input with 0[V], which is the ground potential.
  • the central control unit 17 determines that a voltage of less than 2 [V] is input to the operation signal detection terminal SV4 and applies an OFF control signal (LOW signal) to the first and second gate output terminals A and B. By controlling the output, the first power control device FET1 is turned OFF, so that the DC power supply of the heating wire HW1 can be cut off.
  • OFF control signal LOW signal
  • the central control device 17 determines that a voltage less than the normal monitoring voltage range is input to the operation signal detection terminal SV4, and provides an OFF control signal LOW to the first and second gate output terminals A and B. signal), and then stops the process and at the same time controls the LED of the display unit 16 to blink in a warning form. Therefore, the user can immediately detect the failure situation.
  • the temperature control apparatus of an electric heating appliance using a DC power source can accurately control the temperature by accurately detecting a temperature change over the entire length of the heating wire.
  • the temperature control device of an electric heating appliance using a DC power source quickly detects a failure due to local overheating, a spiral contact due to insulation breakdown of a heating wire, or a breakage of a heating wire. By blocking and providing a notification means by blinking the LED, it is possible to safely protect the electric heating device.

Landscapes

  • Control Of Resistance Heating (AREA)
  • Central Heating Systems (AREA)

Abstract

DC 전열기구에 감온성 절연수지를 이용한 감열선을 사용하여 정확한 온도제어 및 국부과열을 방지할 수 있는 경제적인 전열기구의 스마트 온도제어장치가 제공된다. 상기 전열기구의 발열케이블은, 감온성 절연수지로 피복되고 상기 직류전원에 의해 발열되는 발열선; 및 상기 피복된 감온성 절연수지 외부를 나선형으로 감은 감열선; 을 포함하며, 상기 온도제어장치는, 상기 직류전원을 전력제어소자를 통해 상기 발열선에 공급하여 상기 발열선을 발열시키는 발열주기와 상기 발열선에 펄스신호 전압을 공급하여 온도 감지전류를 발생시키는 온도감지 주기를 번갈아 가지도록 제어를 하며, 상기 온도감지 주기에는 상기 펄스신호 전압에 의해 상기 감온성 절연수지를 통해 상기 감열선에 흐르는 상기 온도 감지전류에 의한 온도감지 전압신호를 입력받아서, 상기 온도감지 전압신호에 따라 상기 발열주기에 상기 전력제어소자를 제어하여 상기 전열기구의 발열온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

Description

직류 전열기구의 스마트 온도제어장치
본 발명은 직류전원을 이용한 전열기구에서 감온성 절연수지를 이용한 감열선을 사용함으로써, 발열선을 따라 전 구간에 걸쳐서 정확한 온도 감지를 할수 있는 스마트 온도제어장치에 관한 것이다.
교류 전원을 사용하여 전기난방을 목적으로 하는 전기요, 전기장판에는 발열선을 사용하여 발열을 하게 된다.
전기장판과 같은 전열기구에서는 발열선에 전류를 흘려서 발열된 열에 의해 장판의 온도를 따뜻하게 유지한다. 발열선에 전류가 흐르게 되면 열이 발생을 하여 온도가 상승하게 되는데, 제대로 온도제어를 하지 않으면 발열선의 온도는 계속 상승하게 되어 과열에 의한 화상 사고 및 화재가 발생할 수 있다. 따라서 전열기구의 발열부가 항상 원하는 온도 범위에 머물도록 온도제어장치를 통하여 정확하게 온도제어를 하여야 한다. 현재 전기용품 안전기준법령에 의하면 전열기구에서 방열되는 최고온도는 95도 이하로 규정되어있다.
전열기구의 온도를 제어하는 방법은, 발열선의 온도를 감지하는 온도 센서 및 온도 과승 방지장치인 바이메탈 센서를 측정부위별로 별도로 설치하여 온도를 감지하여 공급전력을 제어하는 방식 및 발열선과 병렬로 감겨진 감열선 사이에 온도가 상승하면 임피던스가 감소하는 감온성 절연수지를 게재하고, 상기 감온성 절연수지를 통하여 감열선에 흐르는 교류의 전류변화를 감지하여 온도를 제어하는 방식이 주로 연구되어 왔다.
온도센서와 온도 과승 방지장치를 사용하게 되면 전기장판을 정상적인 상태에서 펼쳐서 사용할 때에는 온도제어가 원활하게 작동이 될 수 있으나, 전기장판 위에 무거운 물체가 놓이게 되거나, 온도센서나 바이메탈 센서가 설치되지 않은 부분이 접히게된 상태에서는 온도감지가 제대로 되지 않아 국부적으로 과열이 발생될 수 있다.
전기장판을 제조 시, 발열선은 1인용인 경우 100cm x 180cm의 면적에 길이 25m, 2인용인 경우에는 140cm x 180cm의 면적에 길이 약 34m 정도를 사용하는데, 위와 같이 길게 이어진 모든 부분에 온도센서나 바이메탈 센서를 골고루 설치하는 것은 제조 공정 측면이나, 경제적인 면에서 곤란하다. 이에 따라 통상적으로 전기장판의 경우, 2~3 개소에 온도센서나 바이메탈 센서가 설치하게 된다. 이와 같은 전기장판의 경우, 온도센서나 바이메탈이 설치되지 않는 곳이 접히거나 하여 과열이 될 때는 정확한 온도가 감지가 되지 않는 구조적인 특징을 가지게 된다.
감열선 방식은 발열선 외부에 온도에 따라 임피던스가 변하는 나일론 수지로 절연을 하고, 나이론 수지 외부에 감열선을 감은 뒤 그 외부에는 외장용 절연재로 피복을 하게 된다.
이와 같은 감온성 절연수지를 이용한 감열선 방식은 발열선과 감열선이 병렬로 나란하게 설치가 되어 있어 감열선이 설치된 모든 구간에서 온도감지가 가능하고 국부과열의 방지도 가능한 특징에 의해, 별도 온도센서나 바이메탈을 사용한 방식에 비하여 작업성과 비용면, 안전성에서도 우수한 방식이라고 할 수가 있다.
이러한 감온성 절연수지를 이용한 감열선 방식은 온도가 상승하면 절연 유전체의 임피던스가 감소하는 특성상 절연수지인 유전체에 전류가 흐를 수 있는 교류 전원을 이용한 전열장치에 대한 온도감지장치로 주로 연구되어 왔다.
그러나, 직류전원을 이용한 전열기구의 경우, 감온성 절연수지를 이용한 감열선 방식에 의해 전열온도를 제어하는 장치에 대하여 개발된 바가 없다.
이는 감온성 절연수지로 사용되는 물질은 주로 나일론 성분이며 나일론은 유전체로서 교류신호는 유전체를 통과할 수 있으나, 직류신호는 유전체의 절연저항으로 차단되어 감지가 되지 않기 때문이다.
근래에는 DC 직류전원을 사용하여 전자파가 발생되지 않고 휴대성이 좋은 전기요, 장판 등 DC 전열기가 많이 개발되고 있다.
대한민국 등록실용신안공보 20-0296244호에서는 교류입력전압을 직류로 변환 후 마이크로콘트롤러를 사용하여 다이리스터를 제로볼트에서 트리거하는 것을 특징으로 하는 전자 매트용 직류 자동온도조정기에 대한 내용이 소개되고 있다.
현재 사용이 되고 있는 DC 방석, DC 매트의 경우 사용전압은 주로 5V ~ 24V를 사용하게 되는데 교류 220V에 비하여 전압이 낮아서 안전성이 뛰어나고 교류가 아닌 직류이므로 전자파가 발생이 되지 않고 전원이 배터리에 의해 공급되어 휴대가 가능한 장점이 있다.
DC 매트의 경우 AC-DC 변환 어뎁터(adapter)를 사용하거나, 휴대용 배터리를 이용하여 DC 12V 또는 24V의 DC전압을 사용하는 제품이 개발되고 있다.
개발된 DC 전열제품은 온도제어를 위해 주로 온도감지 센서와 바이메탈 센서를 이용한 온도제어방식이 사용된다. 그러나 이러한 바이메탈 방식은 상술한 바와 같이 접혀진 부분이나, 국부적인 과열 시 용이하게 감지되지 않는 문제점과 발열케이블 배치 작업시 센서를 설치하여 연결하여야 하는 작업이 포함되어 작업성이 나쁘고, 제조비용 면에 있어서 불리한 문제점이 있다.
따라서 직류전원을 이용한 전기장판, 매트와 같은 전열기구, 자동차 내부에 사용하는 발열체 등에서 접혀진 부분이나, 국부적인 과열에도 정확하게 온도를 제어할 수 있으며, 작업성이 좋고, 경제적으로 제조할 수 있는 스마트한 온도제어장치가 요구되어 진다.
본 발명은 DC 전열기구에 감온성 절연수지를 이용한 감열선을 사용하여 정확한 온도제어 및 국부과열을 방지할 수 있는 경제적인 스마트 온도제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 DC 전열기구의 국부적인 발열, 발열선의 고장 및 온도제어용 전력소자의 고장으로부터 전열기구를 안전하게 보호할 수 있으며, 경제적으로 제조할 수 있는 DC 전열기구의 온도제어장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 직류전원을 사용하는 전열기구의 온도제어장치에 있어서, 상기 전열기구의 발열케이블은, 감온성 절연수지로 피복되고 상기 직류전원에 의해 발열되는 발열선; 및 상기 피복된 감온성 절연수지 외부를 나선형으로 감은 감열선; 을 포함하며, 상기 온도제어장치는, 상기 직류전원을 전력제어소자를 통해 상기 발열선에 공급하여 상기 발열선을 발열시키는 발열주기와 상기 발열선에 펄스신호 전압을 공급하여 온도 감지전류를 발생시키는 온도감지 주기를 번갈아 가지도록 제어를 하며, 상기 온도감지 주기에는 상기 펄스신호 전압에 의해 상기 감온성 절연수지를 통해 상기 감열선에 흐르는 상기 온도 감지전류에 의한 온도감지 전압신호를 입력받아서, 상기 온도감지 전압신호에 따라 상기 발열주기에 상기 전력제어소자를 제어하여 상기 전열기구의 발열온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어장치는 상기 온도감지 주기에 OFF/ON 출력신호를 상기 전력제어소자의 게이트로 1회 이상 출력하여 상기 전력제어소자를 TURN-OFF/ON 시키는 것에 의해 상기 펄스신호 전압을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어장치는 상기 온도감지주기를 300 ~ 1000ms 마다 15 ~ 30ms 동안 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어장치는 상기 펄스신호 전압이 상기 감온성 절연수지를 통하여 상기 감열선으로 흐르는 온도 감지전류를 감지하여 온도감지 신호전압을 형성하는 온도감지 신호부; 상기 온도감지 신호부의 온도감지 신호전압으로부터 입력된 신호전류를 증폭하여 온도감지 제어전압을 발생하는 온도감지 제어전압 변환부; 상기 발열선에 공급하는 직류전원의 공급을 제어하는 상기 전력제어소자를 포함하는 출력제어부; 및 프로그램된 프로세스에 따라 상기 전력제어소자에 발열주기 및 감지주기에 대한 제어신호를 전송하고, 상기 온도감지 제어전압 변환부의 온도감지 제어전압을 입력받아 상기 출력제어부의 상기 전력제어소자의 ON/OFF를 제어하는 것을 포함하는 중앙제어장치; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도감지 신호부는 상기 감열선의 일측 단자(S1)와 타측 단자(S2)는 제1감지노드(SV1)에서 접속이 되며, 상기 제1 감지노드(SV1)와 상기 발열선의 타측 단자에 접속된 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압감지 콘덴서를 접속하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 전압생성 콘덴서에 상기 발열선의 발열온도에 따른 온도감지 신호전압이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전압생성 콘덴서는 상기 감온성 절연수지의 캐패시터 용량의 100 ~ 1000 배에 해당하는 캐패시터 용량값을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도감지 제어전압 변환부는, 상기 제1감지노드(SV1)로부터 입력단 다이오드(D2)를 거쳐서 제2분배저항(R2)과 직렬로 연결된 제3분배저항(R3)을 거쳐서 제2 전원부(DC-)지와 접속이 되며, 상기 제2분배저항(R2)과 제3분배저항(R3)과의 접속점은 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 베이스와 접속이 되고, 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 컬렉터는 제4저항(R4)를 거쳐서 상기 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되며, 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 제2콘덴서(C2)가 병렬로 접속된 제5저항(R5)를 거쳐서 상기 접지와 연결이 되며, 상기 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 중앙제어장치의 온도감지 전압단자로 입력되는 것을 특징으로 하며, 상기 중앙제어장치는 상기 온도감지 전압단자로 입력된 온도감지 제어전압이 설정된 온도전압보다 높은 것으로 판단이 되면, 상기 전력제어소자를 TURN OFF로 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어장치는 내부 온도제어 회로에 직류 동작전원을 공급하는 동작전원부를 더 포함하며, 상기 온도감지 제어전압 변환부는 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터와 제2콘덴서(C2)의 접속점에 상기 중앙제어장치 보호용 제3다이오드(D3)를 통하여 상기 동작전원부의 +5V 측에 연결하는 것을 특징으로 하며, 상기 중앙제어장치는 상기 온도감지 전압단자에 입력되는 온도감지전압이 미리 설정된 정상 입력전압의 범위인 4.8V를 초과하거나, 0.2V 미만인 것으로 판단이 되면, 상기 전력제어소자를 TURN OFF로 제어를 하고, 이후 재가동을 하지 않도록 중앙제어장치의 상기 전력제어소자의 제어출력을 정지하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 발열선의 일측 단자(H1)는 상기 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되고, 상기 발열선의 타측 단자(H2)는, 상기 출력제어부의 제1 전력제어소자(FET1)의 일측 단자와 접속되며, 상기 제1 전력제어소자의 타측단자와 일측단자가 접속되어 직렬로 연결된 제2 전력제어소자의 타측단자가 제2 전원부(DC-)와 접속되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 전력제어소자와 제2 전력제어소자의 게이트는 각각 상기 중앙제어장치의 게이트 출력단자(A, B)에 연결되며, 상기 제1 전력제어소자의 양측단자에는 제6분배저항(R6)이 병렬로 접속되고, 상기 제2 전력제어소자의 양측단자에는 제7분배저항(R7)이 병렬로 접속되며, 상기 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 접속점2는 중앙제어장치의 동작감시신호단자(SV4)와 접속이 되는 것을 특징으로 하고, 상기 접속점2는 제4다이오드(D4)를 통하여 상기 동작전원부의 +5V 측에 연결이 되고, 상기 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값은 접속점2의 감시전압이 정상적인 온도 감지주기에서 1 ~ 4V 범위 중에서 설정되도록 저항값을 배분한 것을 특징으로 하며, 상기 중앙제어장치는 온도 감지주기에서 상기 동작신호감지단자(SV4)에 설정된 정상 감시전압의 범위를 초과하거나, 미만인 전압이 입력되면, 상기 게이트 출력단자(A, B)를 통하여 OFF 제어신호를 출력하고, 이후 재가동을 하지 않도록 상기 중앙제어장치의 상기 게이트 출력단자(A, B)의 출력을 정지하도록 제어를 하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, DC 전열기구의 발열선 주위에 감온성 절연수지를 이용한 감열선을 사용함으로써, 발열선을 따라 전 구간에 걸쳐서 정확한 온도 감지를 할 수 있어서, 정확한 온도제어 및 국부과열을 방지할 수 있는 온도제어장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, DC 전열 장판이니 매트 제조 시, 별도의 온도감지센서나 바이메탈 센서 등의 설치 공정을 제외할 수 있으며, 감온성 절연수지로 피복을 한 발열선에 감열선을 감은 발열케이블을 매트에 배치하고 봉제하는 간단한 작업공정에 의해 DC 전열 장판이니 매트를 경제적으로 제조할 수 있으며, 최소의 전자 부품만을 이용하여 경제적으로 온도제어장치를 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 발열선과 직류전압이 인가된 상태에서 펄스신호가 발생되는 감지 주기마다 감온성 절연수지를 통하여 감열선으로 흐르는 충, 방전 전류에 의한 온도감지 전압신호를 입력받을 수 있어서 정확한 온도 감지를 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 발열선의 일부분에서 국부과열이 발생을 하더라도 전 발열선 구간을 통하여 온도감지를 할 수 있어서, 종래의 온도센서와 바이메탈을 사용한 온도제어장치에 비하여 정확하고 신속하게 온도제어를 할 수 있는 효과를 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 간단한 회로구성을 적용하여 최소의 부품으로 효과적으로 DC 전력에 의한 발열온도를 제어할 수 있어서, 작업성이 좋으며, 제조공정을 줄일 수 있고 경제적이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 발열선과 감열선 사이의 절연이 파괴되어 나선 접촉된 경우에도 이를 감지하는 회로를 구성하여, 효과적으로 신속하게 발열회로를 차단할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 전력제어소자 2개를 직렬로 접속하여 발열선에 직류 전원을 공급하는 회로 특성에 의해 전력제어소자 중 어느 하나가 고장으로 발열에 따른 제어가 되지 않을 시에도 효과적으로 신속하게 발열회로를 차단할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전열기구의 온도제어장치는 직류전원을 사용함으로써 전자파의 발생을 줄일 수가 있으며, 사용 전압이 낮아 감전사고의 위험이 없고 온도센서와 온도과승 방지장치인 바이메탈 센서를 사용하지 않고도 온도감지 및 국부과열 방지가 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류전원의 온도제어장치를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열케이블의 구조를 도시한 것이다.
도 3은 온도제어장치에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치하지 않은 상태에서 감열선(SW1)에 유기되는 온도감지 신호를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 온도감지 신호부(17)에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치한 상태에서 감열선(SW1)으로부터 입력되는 온도감지 신호 전압 파형을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 온도감지 신호부(17)에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치한 상태에서 감열선(SW1)으로부터 입력되는 온도감지 신호 전압 파형을 도시한 것으로서, 도 4에 비해 발열선의 온도가 높은 경우를 나타낸다.
HW1: 발열선
SW1: 감열선
TSR: 감온성 절연수지
11: 동작전원부
12: 온도설정부
13: 온도감지 제어전압 변환부
14, 15: 출력제어부
16: 표시부
17; 온도감지 신호부
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속될 수 있지만, 그 구성 요소와 그 다른 구성요소 사이에 또 다른 구성 요소가 '연결', '결합' 또는 '접속'될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
이하 본 발명의 구현에 따른 감열선 방식과 온도측정 주기 방식을 적용한 직류전원을 사용한 온도제어장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류전원의 온도제어장치를 도시한 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 전열기구의 발열케이블은 발열선(HW1) 외부와 감열선(SW1) 사이에 감온성 절연수지(Temperature Sensitive insulating Resin, TSR)가 충진되어 절연된다.
본 발명에서 감온성 절연수지(TSR)는 온도가 상승하면, 임피던스가 감소하고, 온도가 하강하면 임피던스가 증가하는 절연체 수지를 의미한다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에서 감온성 절연수지는 나일론 수지가 적용된다.
나일론 수지는 절연물인 유전체(dielectric)이며 낮은 온도에서는 임피던스가 크고 온도가 높아질 수록 임피던스가 감소하는 특징이 있으며, 절연체의 특징을 가지고 있어서, 직류 전류는 흐르지 못하나, 교류 전류에서는 콘덴서로 작용되어 충, 방전 감지전류가 흐를 수 있는 특성을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 발열케이블은 감온성 절연수지로 피복되고 직류전원에 의해 발열되는 발열선; 및 상기 피복된 감온성 절연수지 외부를 나선형으로 감은 감열선; 을 포함하는 것을 특징으로 한다. 예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열케이블은 중심부에 발열선(HW1)이 형성되고, 감열선(SW1)과 절연이 유지될 수 있는 정도에서 근접하게 감열선 주위에 배치시키고 그 사이를 감온성 절연수지(TSR)로 절연한 구조로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 감열선(SW1)은 감온성 절연수지의 온도를 측정하는 온도 감지선의 용도로 사용된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열케이블의 구조를 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 감열선 방식의 발열케이블은 중심에 위치한 발열선(HW1), 상기 발열선(HW1) 외부에 온도에 따라 임피던스가 변하는 감온성 절연수지(TSR: temperature-sensitive insulating resin)인 나일론 수지로 피복을 하고, 나이론 수지 외부에 감열선(SW1)을 감은 뒤 그 외부에는 외장용 절연재인 PVC로 피복을 하는 것을 특징으로 한다.
발열선(HW1)에 직류를 흘리게 되면, 감열선(SW1)에는 교류와 달리 직류에 대해 절연체인 감온성 절연수지(TSR)에 의해 직류가 차단되어 온도 감지전류가 흐르지 않게 된다.
그러나 상기 발열선(HW1)에 시간에 따라 변하는 펄스신호 전압을 공급하면, 상기 감열선(SW1)에는 발열선(HW1)에 공급된 펄스신호 전압에 의한 펄스신호 전류가 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 상기 감열선(SW1)으로 전달되어 접지 측으로 흐를 수 있다.
상기 펄스신호 전압에 의한 펄스신호 전류가 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 감열선(SW1)으로 전달되는 전류는, 감온성 절연수지가 온도에 따라 임피던스가 변하기 때문에 감온성 절연수지의 온도에 따라 변하게 된다. 예를 들면, 감온성 절연수지의 온도가 올라가면 펄스전압에 의한 전류는 증가하게 되고 감온성 절연수지의 온도가 떨어지면, 펄스전압에 의한 전류는 감소하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 상기와 같은 펄스신호 전압에 의한 감온성 절연수지를 통한 전류가 온도에 따라 변화하는 특징을 이용하여 온도감지 주기에서 온도를 감지하여 발열선(HW1)에 흐르는 전류를 제어함으로써, 발열선(HW1)의 발열온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는, 직류전원을 전력제어소자를 통해 발열선(HW1)에 공급하여 상기 발열선(HW1)을 발열시키는 발열주기와 상기 발열선(HW1)에 펄스신호 전압이 공급하여 온도 감지전류를 발생시키는 온도감지 주기를 번갈아 가지도록 제어를 한다. 상기 온도감지 주기에는 상기 펄스신호 전압에 의해 상기 발열선(HW1)에서 상기 감온성 절연수지를 통해 상기 감열선에 흐르는 감지전류에 의한 온도감지 전압신호를 입력받아서, 상기 온도감지 전압신호에 따라 상기 발열주기에 상기 전력제어소자를 제어하여 상기 전열기구의 방열온도를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에서는 온도감지주기(일 실시 예에서는 20ms) 동안에 발열선(HW1)에 직류전원을 공급하는 전력제어소자를 TURN-OFF/ON 동작을 시킴으로써, 펄스신호 전압을 생성하는 것을 특징으로 한다.
또 다른 실시 예에서는 별도의 펄스발생기에 의해 온도감지주기 동안 펄스신호 전압을 발열선에 공급하도록 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는, 상기 발열선(HW1)의 일측 단자(H1)는 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되고 발열선(HW1)의 타측 단자(H2)는 상기 전력제어소자(FET1, FET2)의 제1 일측 단자가 접속된 제1단자노드(nd1)와 접속되어 상기 제1 전력제어소자(FET1)와 직렬로 연결된 제2 전력제어소자(FET2)를 통하여 접지 측과 접속되도록 회로가 구성된다.
또한, 제2 전원부(DC-)는 전원 접지에 연결이 된다.
또한, 상기 감열선(SW1)의 일측 단자(S1)와 타측 단자(S2)는 제1감지노드(SV1)에 같이 접속이 되며, 상기 제1 감지노드(SV1)와 상기 발열선(HW1)의 타측 단자(H2)와 접속된 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압생성 콘덴서(C1)가 접속된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 제1 전압생성 콘덴서(C1)에는 상기 발열선의 발열온도에 따라 상기 감열선(SW1)을 통하여 온도감지 신호전압이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 온도제어장치는 상기 온도감지 주기에 OFF/ON 출력신호를 상기 전력제어소자의 게이트로 1회 이상 출력하여 상기 전력제어소자를 TURN-OFF/ON 시키는 것에 의해 펄스신호 전압을 생성시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 발열주기에는 상기 직류전원의 직류 공급전압에 의한 전류가 발열선(HW1)과 전력제어소자(FET1, FET2)를 통하여 흘러서 상기 발열선(HW1)을 발열시키고, 감지주기에는 펄스신호전압에 의한 감지전류가 상기 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 상기 감열선(SW1)으로 흐르도록 함으로써, 온도제어장치가 상기 감지전류의 변화를 이용하여 상기 전력제어소자의 개/폐를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는, 발열선(HW1) 및 내장된 온도제어 회로에 직류 동작전원을 공급하는 동작전원부(11); 펄스신호전압이 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 감열선(SW1)으로 흐르는 온도 감지전류를 감지하여 온도감지 신호전압을 형성하는 온도감지 신호부(17); 상기 온도감지 신호부(17)의 온도감지 신호전압으로부터 입력된 신호전류를 증폭하여 온도감지 제어전압으로 변환하는 온도감지 제어전압 변환부(13); 발열선(HW1)에 공급하는 직류전원의 공급을 제어하는 전력제어소자를 포함하는 출력제어부(14, 15); 프로그램된 프로세스에 따라 상기 출력제어부의 전력제어소자(14, 15)에 발열주기 및 온도감지주기에 대한 제어신호를 전송하고, 온도감지 제어전압 변환부(13)의 온도감지 제어전압을 입력받아 상기 출력제어부의 ON/OFF를 제어하고, 각 부를 제어하는 중앙제어장치(17); 및 사용자에 의해 동작온도를 설정하도록 입력받는 온도설정부(12); 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 DC 전열기구의 직류전원은 공급전압을 DC 24V를 공급하는 것을 예로 설명한다. 이는 단지 이건 발명을 설명하기 위한 일 실시 예일 뿐이며, 동일한 기술적 특징을 적용하여 12V, 5V 등 모든 DC 전압에서 사용이 가능하다.
도 1을 참조하면, 상기 온도감지 신호부(17)는 감열선(SW1)의 일측 단자(S1)와 타측 단자(S2)는 제1감지노드(SV1)에 접속이 되며, 상기 제1 감지노드(SV1)와 상기 발열선(HW1)의 타측 단자와 접속된 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압생성 콘덴서(C1)가 접속된다. 상기 제1 전압생성 콘덴서(C1)에는 상기 발열선의 발열온도에 따라 상기 감열선(SW1)으로 흐르는 전류에 의해 온도감지 신호전압이 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1단자노드(nd1)는 제1 전력제어소자(FET1)의 일측 단자와 접속된다.
상기 온도감지 제어전압 변환부(13)는 상기 제1감지노드(SV1)로부터 입력단 다이오드(D2)를 거쳐서 제2분배저항(R2)과 직렬로 연결된 제3분배저항(R3)을 거쳐서 접지와 접속이 된다. 상기 제2분배저항(R2)과 제3분배저항(R3)과의 접속점에 제2감지노드(SV2)가 형성되며, 상기 제2감지노드(SV2)는 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 베이스와 접속이 된다. 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 컬렉터는 제4저항(R4)를 거쳐서 상기 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되고, 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 제2콘덴서(C2)가 병렬로 접속된 제5저항(R5)을 거쳐서 접지와 연결이 된다. 또한, 상기 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 온도감지 제어전압 변환부(13)의 출력단으로 제3감지노드(SV3)인 온도감지 전압단자와 접속되어 중앙제어장치(17)로 입력이 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 입력단 다이오드(D2)를 통하여 입력되는 온도감지 신호전압의 전류는 매우 미약하므로 NPN 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)를 이미터 플로워 방식으로 결선하여 전류증폭을 하는 것을 특징으로 한다. 온도감지 제어전압 변환부(13)에서는 직류전원의 제1 전원부(DC+) - 제4저항(R4) - 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 컬렉터 - 이미터 - 제5저항(R5) - 접지의 순으로 증폭된 전류가 흐르게 된다.
제5저항(R5) 양단에 흐르는 전류는 제2콘덴서(C2)에 충전이 되어 온도감지 제어전압이 형성되며, 온도감지 제어전압은 제3감지노드(SV3) 인 온도감지 전압단자를 통하여 마이컴(20)으로 입력된다.
또한, 온도감지 제어전압 변환부(13)는 제1마이컴 보호회로를 더 포함한다.
제1마이컴 보호회로는 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터와 제2콘덴서(C2)의 접속점을 제1마이컴 보호용 제3다이오드(D3)를 통하여 동작전원부의 +5V 측에 연결한다. 제1마이컴 보호회로에 의해 마이컴(20)에 입력되는 전압은 +5V를 초과하지 않게 된다. 제1마이컴 보호회로는 과열 등의 원인으로 감온성 절연수지의 절연이 파괴되어 발열선(HW1)과 감열선(SW1)이 나산 접촉이 되는 등의 이유로 마이컴(20)에 24V의 높은 전압 및 +5V를 초과하는 전압이 입력되는 것을 방지하기 위한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에서는 온도감지 제어전압 변환부(13)에서 온도감지 신호전압으로부터 입력된 신호전류를 증폭하는 방법으로 제1트랜지스터(TR1)의 이미터 플로워 방식을 사용하였으나 또 다른 실시 예에서는 상기 NPN 제1트랜지스터(TR1) 대신 OP AMP 등 입력전압신호를 증폭하기 위한 균등 수단 등으로 치환하여 사용될 수 있다.
도 1을 참조하여 직류전원에 의한 전류가 발열선(HW1)으로 흐를 때, 발열선(HW1)에 걸리는 전압 분포를 살펴보면 제1전력제어소자(FET1)와 제2전력제어소자(FET2)가 TURN ON 상태에서 발열선 H1 지점에는 입력전압 그대로 24[V]가 나타나고, 발열선 H2의 전압은 접지전위와 같은 0[V]가 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치의 중앙제어장치는 하나의 칩 속에 중앙처리장치가 내장된 마이컴이 적용될 수 있다..
본 발명의 일 실시 예에서는 마이컴의 설정된 온도감지 주기에는 제1전력제어소자(FET1)와 제2전력제어소자(FET2)가 20ms 동안에 ON/TURN-OFF/TURN-ON 상태가 되어, 발열선(HW1의) 타측 단자인 H2 단자와 접속된 제1단자노드(nd1) 지점의 전압은 24V-0V-24V의 펄스신호전압이 발생하게 된다. 온도감지 주기에 발생되는 24V-0V-24V의 펄스신호전압은 온도감지 주기의 시간에 따라 변화되는 특성에 의해 상기 감온성 절연수지를 통하여 발열선(HW1)과 감열선(SW1) 사이에 펄스신호 전압에 의한 전류가 충, 방전이 되어 제1감지노드(SV1) 지점에는 온도감지 신호가 나타나게 된다.
이때 충, 방전되는 전류는 인가전압이 교류전압 220[V]와는 달리 매우 낮은 24[V]에 불과하고, 매우 미약한 펄스신호 전압에 의한 온도감지 신호전류가 톱니파 형태로 흐르게 되어 온도변화에 따른 구분이 명확하지 않을 수 있다.
도 3은 온도감지 신호부(17)에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치하지 않은 상태에서 제1감지노드(SV1) 지점에서 감열선(SW1)에 유기되는 온도감지 신호를 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, 발열선(HW1)과 감열선(SW1) 사이에 게재된 감온성 절연수지의 임피던스가 큰 상태에서 감열선(SW1)의 일측 단자(S1)로 출력되는 온도감지 신호는 톱니파 형태의 경사로 흐르게 되어 온도변화에 따른 전류는 측정이 가능하나, 온도 변화에 따른 구분이 명확하게 구분되어 나타나지 않는다.
본 발명의 일 실시 예에서는 위와 같은 미약한 톱니파 신호를 구분이 명확한 구형파 신호로 변환하기 위해 상기 제1 감지노드(SV1)와 상기 발열선(HW1)의 타측 단자(H2)에 접속된 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압감지 콘덴서(C1)를 접속하는 것을 특징으로 한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따라 온도감지 신호부(17)에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치한 상태에서 감열선(SW1)으로부터 입력되는 온도감지 신호 전압 파형을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따라 온도감지 신호부(17)에 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치한 상태에서 감열선(SW1)으로부터 입력되는 온도감지 신호 전압 파형을 도시한 것으로서, 도 4에 비해 발열선의 온도가 높은 경우를 나타낸다.
도 4, 5는, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도감지 주기를 400ms 주기로 TURN-ON시키고 20ms동안 TURN-OFF-ON 으로 설정한 것이다.
도 4는 발열선의 온도가 정상 상태보다 낮은 경우의 제1감지노드와 제2감지노드의 전압 파형을 나타낸다.
도 4에 도시된 바와 같이 제1 감지노드(SV1)와 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압생성 콘덴서(C1)를 접속하면, 제1 감지노드(nd1)와 제2 감지노드(SV2)에는 온도감지 신호 전압이 구형파로 명확하게 나타날 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서, 발열선(HW1)은 길이 25m를 사용하였으며, 20℃에서 감온성 절연수지의 캐패시터 용량이 3nF로 측정이 되었다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 발열선(HW1)의 온도가 상승을 하여 감온성 절연수지의 온도가 90℃가 되면 감온성 절연수지의 캐패시터는 3nF에서 10nF로 캐패스터 용량이 증가하게 나타난다. 이러한 이유는 감온성 절연수지(TSR)의 특성에 의해 온도가 상승할수록 임피던스가 감소하기 때문이다.
교류입력전원 220[V]를 사용하게 되면 이러한 온도에 따른 콘덴서 용량의 변화를 이용하여 직접 온도제어가 가능하다. 그러나 24[V]직류전원을 사용하는 경우에는 온도감지신호전류가 미약하여 온도제어용으로는 사용하기가 어려워지게 된다
용량 리액턴스는 Xc=1/(2πfC)로 산출될 수 있다. 이를 결정하는 주파수는 상용 교류전원에서는 60Hz의 사인파 교류가 공급이 되나, 본 발명의 일 실시 예에 따르면 온도감지주기에 사용되는 펄스신호 전압은 2~Hz의 구형파가 공급된다.
이에 따라 온도감지 펄스신호가 발생하는 동안은 직류전원에 의한 전류가 흐르지 않는 상태이므로 발열선(HW1)의 소비전력은 작아진다. 즉, 온도감지 주기에 펄스신호가 많아질수록(주파수가 커지면) 발열선(HW1)의 발열에 사용되는 소비전력이 적어지게 되는 것을 의미한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 감온성 절연수지(TSR)의 임피던스 특성은, 교류를 공급하였을 때와 비교하였을 때, 발열선의 온도가 같은 상태이고 캐패시터가 같다고 해도 교류에 비하여 주파수가 낮으므로 임피던스는 상대적으로 큰 상태가 된다.
또한, 교류 220V에 비하여 직류 24V를 사용하므로 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 흐르는 온도감지신호 전류는 교류에 비하여 캐패시터가 같다고 해도 전압이 낮기 때문에 교류전압을 사용할 때보다 캐패시터를 통과하는 전류의 양은 매우 작게되는 단점이 발생될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 이러한 단점을 보완하기 위하여 감열선의 일측 단자(S1)와 타측 단자(S2)가 접속된 제1 감지노드(SV1)와 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압감지 콘덴서(C1)를 접속하여, 제1 감지노드(SV1)에 온도신호전류가 축적된 펄스 파형이 명확하게 나타나도록 한 것을 특징으로 한다.
다양한 실험결과, 상기 제1전압생성 콘덴서(C1)의 용량은, 상온에서 감온성 절연수지의 캐패시터 용량의 100 ~ 1000 배에 해당하는 0.3 ~ 3uF 가 바람직한 것으로 분석되었다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 예에서는 1uF가 바람직한 최적의 용량으로 분석되었다.
도 3의 경우 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치하지 아니한 경우에는 상기 발열선(HW1)과 감열선(SW1) 사이의 캐패시터 용량이 3nF로서 임피던스가 매우 큰 영향으로 온도감지 신호전압 파형이 제대로 나타나지 않음을 알 수 있다
도 4는 용량 1uF인 제1전압생성 콘덴서(C1)를 설치한 상태에서 초기 파형을 나타낸다. 도 4에서 제1감지노드(SV1)의 경우 100:1 프로브를 사용하여 측정한 것이고, 제2감지노드(SV2)는 1:1프로브를 사용하여 측정한 것을 나타낸다.
초기 발열선(HW1)의 발열에 의해 감온성 절연수지(TSR)의 온도가 낮은 상태에서, 제1감지노드(SV1)의 파형은 발열전류가 흐르는 발열주기에서는 -20[V]를 나타내고 발열전류가 흐르지 않는 온도 감지주기인 TURN-OFF/ON 구간에서는 구형파 펄스 파형의 전압이 +4[V]로 나타난다.
제2감지노드(SV2)에서는 감지전류가 입력단 다이오드(D1) - 제2분배저항(R2) -제3분배저항(R3) - 접지 순으로 흐르는 것에 의해, 제3분배저항(R3) 양단의 전압 파형이 나타난다.
제2감지노드(SV2)에서는, 온도 감지주기에 제1감지노드(SV1)의 파형보다 약간 낮은 3V의 파형이 나타나게 된다.
도 5는 발열선의 온도가 정상 상태로 상승하였을 경우 제1감지노드와 제2감지노드의 전압 파형을 나타낸다.
발열선(HW1)의 발열에 의해 감온성 절연수지(TSR)의 온도가 상승을 하게 되면, 감온성 절연수지(TSR)의 캐패시터가 증가하게 된다. 즉, 앞서 설명한 바와 같이 온도가 상승을 하여 감온성 절연수지(TSR)의 온도가 90℃가 되면 감온성 절연수지의 캐패시터는 3[nF]에서 10[nF]로 용량이 증가하게 된다. 감온성 절연수지(TSR)의 온도가 90℃로 상승한 경우에 제1감지노드(SV1)의 파형은 발열주기에서 -10[V], 온도 감지주기에는 약 +15[V] 이상이 나타난다. 또한, 제2감지노드(SV2)에서 온도 감지주기에 15[V]의 펄스 파형이 나타나는 것을 알 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 온도 감지주기에 전력제어소자를 짧은 시간에 TURN-OFF/ON 되는 동작만으로 펄스신호 전압이 생성되어 온도 변화에 따른 온도 감지신호 전압이 제1감지노드(SV1) 및 제2감지노드(SV2)에 생성되는 것을 알 수 있다.
한편, 온도상승에 따라 온도감지 신호전압 파형이 생성이 되지만 전류가 미약하여 마이컴에서 분석이 곤란한 취약점을 가질 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이러한 취약점을 보완하고, 온도변화에 따른 온도감지 제어전압에 대해 마이컴에서의 분석 정확도를 높이기 위해, 온도 감지신호 전압을 0 ~ 5[V] 범위에서 구분이 명확하게 나타나는 온도감지 제어전압으로 변환하는 온도감지 제어전압 변환부(13)를 더 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명의 온도감지 제어전압 변환부(13)에서는 NPN 트랜지스터의 이미터 플로워방식을 사용하여 신호전류를 증폭하여 변환하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도감지 제어전압 변환부(13)에서는 온도감지 신호부(17)로부터 입력된 감지신호전압을 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 베이스로 입력하고 전류증폭을 한 후, 이미터로 출력된 신호를 변환하여 온도감지 제어전압 신호로 사용하게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 상기 온도감지 제어전압 변환부(13)에서 출력되는 온도감지 제어전압 신호가 중앙제어장치(17)인 마아컴으로 입력되며, 마이컴에서는 상기 입력된 온도감지 제어전압 신호를 설정된 기준치와 비교하여, 기준치 범위를 벗어난 경우, 출력제어부(14, 15)의 전력제어소자(FET1, FET2)의 게이트에 제어신호를 보내 상기 발열선(HW1)의 전원공급을 제어함으로써 발멸 온도를 원활하게 제어할 수 있다
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 중앙제어장치(17)는 하나의 칩 속에 중앙처리장치가 포함되어 마이크로프로세서에 LSI(large scale integration)에 의한 연산처리장치, 기억장치, 입ㆍ출력장치 등을 부가한 마이컴 칩이 사용된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 동작 전원부(11)는 5V DC 전압을 각부의 제어전압으로 공급한다.
동작전원부(11)에는 동작전원의 개, 폐(ON/OFF)를 스위칭하는 전원 스위치(SW1)를 포함한다.
전원 SW1을 ON 하면 마이컴인 중앙제어장치(17)에 전원이 공급이 된다. 전원 SW1을 OFF 하면, 중앙제어장치(17)에 전원이 차단이 되며, 제1, 2 전력제어소자 (FET1, FET2)는 OFF 상태로 되어 발열선(HW1)의 전원공급이 중단이 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도설정부(12)는 사용자에 의해 가변저항기(VR1)의 저항치를 가감함으로써, 원하는 설정온도를 선택할 수 있다.
중앙제어장치(17)는 온도설정부(12)에서 선택된 설정온도에 해당하는 전압과 온도감지 제어전압 변환부(13)로부터 입력된 온도감지 제어전압 신호를 비교하여 온도감지 제어전압 신호가 설정온도의 해당하는 전압보다 낮으면 중앙제어장치(17)의 출력을 ON 신호로 유지한다. 또한, 입력된 온도감지 제어전압 신호가 설정온도에 해당하는 전압보다 높으면, 중앙제어장치(17)의 A, B 출력을 OFF 신호로 출력하도록 프로그램된다
또한, 중앙제어장치(17)는 설정된 온도감지주기에는 A, B 출력단자로 주기적으로 OFF-ON 신호를 출력하는 온도측정 펄스신호를 발생시킨다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도측정 펄스신호는 온도감지주기에 설정된 시간 동안 제1, 2 전력제어소자(FET1, FET2) 게이트에 LOW/HIGH 신호를 1회 이상 출력하여 발생하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에 따르면, 상기 온도측정 펄스신호에 의해 제1, 2 전력제어소자(FET1, FET2)는 설정된 시간인 20ms에 ON-TURN OFF- TURN ON 동작이 수행되어 발열선(HW1)에는 순간적인 펄스 전압이 인가된다. .
위와 같이 중앙제어장치(17)는 설정된 발열주기에는 ON 신호를 유지하고, 온도감지 주기에는 설정된 시간 동안 Off-ON 출력 신호를 A, B로 출력하여 상기 전력제어소자인 FET1과 FET2를 TURN OFF - TURN ON 시킨다. 또한, 중앙제어장치(17)는 상기 주기적으로 온도감지 주기마다 발생되는 TURN OFF- TURN ON 되는 펄스신호전압을 상기 발열선(HW1)에 공급함으로써, 상기 감온성 절연수지(TSR)를 통하여 흐르는 온도 감지전류에 의한 온도감지 신호를 온도감지 제어전압으로 입력 받아서 상기 FET1과 FET2를 제어하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면 상기 중앙제어장치(20)는 전력제어소자를 통해 상기 발열선(HW1)에 직류전원을 공급하여 상기 발열선(HW1)을 발열시키는 발열주기와 상기 발열선(HW1)에 펄스신호전압를 공급하여 온도 감지전류를 발생시키는 온도감지 주기를 번갈아 가지도록 제어를 한다. 본 발명의 일 실시 예에서 온도감지주기는 300 ~ 1000ms 마다 15 ~ 30ms 동안 수행되는 것을 특징으로 한다. 즉 300 ~ 1000ms 동안 전력제어소자(FET1, FET2)가 ON 상태를 유지하여 발열선(HW1)에 직류전원이 공급되고, 이어서 15 ~ 30ms 동안에는 전력제어소자(FET1, FET2)가 TURN OFF-TURN ON 동작에 의해 상기 발열선(HW1)에 온도측정 펄스신호전압이 공급된다.
다양한 실험결과, 25m 정도의 발열선(HW1)으로 제조되는 직류 전열기구의 경우, 온도감지 주기는 400ms 마다 20ms 동안 수행되는 것이 정확한 온도제어 및 에너지 소비효율 면에서 가장 바람직한 것으로 분석되었다. 예를 들면, 바람직한 실시 예에서, 중앙제어장치(17)에서, A, B 출력단자는 400ms 동안에는 ON 신호(HIGH)가 유지되고, 이어지는 20ms 동안 OFF-ON(LOW-HIGH)신호가 출력되며, 이어서 다시 400ms 동안에는 ON(HIGH) 신호가 유지되는 것이 번갈아 수행되도록 제어된다. 즉, 발열전류가 흐르는 시간은 400ms 동안이고, 20ms 동안은 발열전류가 흐르지 않는다.
바람직한 실시 예에서는 1초에 20ms 동안 2번의 온도측정 펄스신호가 발생하게 되므로 매우 빠른 속도로 실시간 온도감지를 수행하게 된다.
다양한 실험에 근거한 바람직한 실시 예에서 발열주기와 온도감지 주기의 비율은 20:1로 설정하였다. 이 비율은 전력기구의 용도에 따라 30:1, 40:1, 50:1 로 변경하여 사용될 수 있다. 비율이 커질수록 발열선(HW1)으로 흐르는 전류는 효율이 좋아질 수 있으나, 온도감지 빈도가 적어져서 온도 감지 효율은 저하될 수 있다. 따라서, 이 비율은 감온성 절연수지의 종류, 두께, 발열선의 길이에 따라 변동적으로 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서는, 제1 전원부(DC+)는 발열선(HW1)의 일측 단자(H1) 사이에 설정전류 이상의 과전류가 흐르면 회로를 차단시키는 퓨즈부(F1)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치의 동작 상태를 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
전원 스위치(SW1)를 ON으로 동작시키면, 제1 전원부(DC+)- 전류퓨즈(F1) - 발열선 일측 단자(H1) - 발열선(HW1) - 발열선 타측 단자(H2) - 제1전력제어소자(FET1) - 제2전력제어소자(FET2) - 접지의 순으로 전류가 흐르게 된다.
직류 전류가 흐르면 발열선의 발열에 의해 감온성 절연수지 온도는 상승을 하게 되면서, 감온성 절연수지의 임피던스는 감소하게 된다.
발열선에 의해 감온성 절연수지의 온도가 상승하면, 온도감지 제어전압 변환부(13)의 출력이 접속된 제3감지노드(SV3)의 온도감지 제어전압이 상승하여 입력이 된다. 마이컴인 중앙제어장치(17)에서는 온도설정부(12)에서 설정된 온도전압보다 온도감지 제어전압이 높은 것으로 판단이 되면, 중앙제어장치(17)의 출력단자 A, B를 통해 출력신호를 HIGH→LOW로 전환하여 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)를 TURN OFF로 제어하게 된다.
중앙제어장치(17)의 출력단 A, B의 출력신호가 LOW로 되면 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)가 TURN OFF되어 발열전류가 흐르기 않게 되며, 이에 따라 전열기구의 온도도 내려가게 된다.
전열기구의 온도가 내려가면 감온성 절연수지의 임피던스가 다시 증가하게 되며, 온도감지 제어전압 변환부(13)에 입력되는 제2감지단자(SV2)의 온도감지신호전압은 감소하게 되고, 온도감지 제어전압 변환부(13)의 출력전압이 온도감지 제어전압이 감소하게 된다
중앙제어장치(17)에 프로그램된 순서에 의하여 제3감지단자(SV3)에서 입력된 온도감지 제어전압 신호가 온도설정부(12)에서 설정된 전압 미만으로 내려가면, 중앙제어장치(17)는 출력단자 A, B를 통해 출력신호를 LOW→HIGH로 전환하여 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)를 다시 TURN ON으로 제어하게 된다. 이러한 과정을 반복하면 발열선(HW1)에 의한 발열 온도는 설정온도 범위에서 일정하게 유지할 수 있게 된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치에서는 감온성 절연수지의 절연파괴, 전력제어소자의 고장 및 온도제어장치의 내부고장 등의 고장이 발생되면, 동작전원이 ON 된 상태에서 온도감지 제어전압 신호가 미리 설정된 정상 입력전압의 범위를 벗어나게 입력되도록 회로구성이 되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 중앙제어장치(17)에서는 동작전원이 ON 된 상태에서 온도감지 제어전압 신호가 미리 설정된 정상 입력전압의 범위를 벗어난 것으로 판단이 되면, 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)를 TURN OFF 되도록 프로그램으로 설정되어 제어한다. 또한, 위 경우, 재가동이 되지 않도록 중앙제어장치(17)의 A, B 출력을 정지하도록 제어를 한다. 또한, 동시에 표시부(16)의 LED를 경고형태로 점멸시켜서 사용자가 이를 인지할 수 있도록 제어하는 구성을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 중앙제어장치(20)에 상기와 같은 미리 설정된 정상 입력전압의 범위는 최대치 4.8V ~ 최소치 0.2V로 설정이 된다.
즉, 공급전원 스위치(SW1)가 ON 된 상태에서 제3감지단자(SV3)에 입력되는 온도감지전압이 미리 설정된 정상 입력전압의 범위인 4.8[V]를 초과하거나, 0.2[V] 미만인 것으로 판단이 되면, FET1, FET2를 TURN OFF로 제어를 하고, 이후 재가동을 하지 않도록 중앙제어장치(17)의 A, B 출력을 정지하도록 제어를 한다, 그리고 동시에 표시부(16)의 LED를 경고 형태로 점멸시키도록 프로그램이 된다.
전열기구 중 전기장판의 경우, 사용 중 무거운 물체가 올라가 있거나 전기장판의 일부가 접히는 경우가 발생을 한다. 이때 그 부위는 다른 부위에 비하여 국부적인 과열이 발생을 하게 된다.
국부적인 과열이 발생을 하게 되면, 발열선의 전 구간 중 국부적인 과열이 된 부분이 온도가 가장 높은 상태가 되고 이 현상이 지속되면 화재로 이어질 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 전기장판의 경우, 발열선과 감열선 사이에 게재된 전 구간의 나일론 수지 임피던스는 병렬로 구성된 상태이어서, 어느 한 부분에 국부적인 과열이 발생이 되면 그 부분의 감온성 절연수지의 온도도 같이 상승이 된다. 국부적인 과열부위의 온도가 설정된 온도 이상이 되며, 제1온도감지노드(SV1)의 온도감지 신호전압에 의한 제3온도감지노드(SV3)의 온도감지 제어전압이 설정된 전압범위를 초과하여 상승하게 된다. 따라서, 중앙제어장치(17)에서는 이와 같은 국부적인 온도 상승에 의한 온도감지 신호전압을 감지하여, 출력단자 A, B를 통해 출력신호를 HIGH→LOW로 전환하여 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)를 TURN-OFF로 제어함으로써, 직류전원 공급을 차단하여 과열을 방지할 수 있다.
또한, 전열기구인 전기장판을 사용 중, 과열 또는 외부 환경에 의해 감온성 절연수지의 절연이 파괴되어 발열선과 감지선이 쇼트되는 현상이 발생할 수 있다.
이 경우 도 1을 참조하면, 제1 전원부(DC+) - F1 - H1 - 발열선(HW1) - 쇼트부분 - 감열선(SW1) - S1, S2 - D2 - R2 - R3 - 접지의 순으로 전류가 흐르게 된다. 제2감지노드(SV2)에는 직류전원 24V가 제2분배저항 및 제3분배저항에 분배되어 10V 이상의 높은 온도감지 신호전압이 걸리게 된다. 이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도감지 제어전압 변환부(13)의 TR1의 이미터 측으로 많은 전류가 흐르게 되고 제2콘덴서(C2) 양단의 전압은 5V를 넘어가게 된다.
본 발명의 일 실시 예에서는 전압제한 다이오드(D3)를 포함하는 제1마이컴 보호회로에 의해 상기 제2콘덴서(C2)와 연결된 제3감지노드(SV3)에는 5[V]가 초과되는 전압은 제3다이오드(D3)에 의해 동작전원부(11)로 흘려서, 최대전압이 5[V]가 입력되도록 제한된다. .
이에 따라 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 발열선(HW1)과 감열선(SW1)이 쇼트될 경우, 중앙제어장치(17)의 입력단자인 제3감지노드(SV3)에는 온도감지 제어전압 신호 5V가 입력이 된다. 제3감지노드(SV3)에 5V가 입력이 되면, 중앙제어장치(17)는 미리 설정된 정상 입력전압의 범위(4.8 ~ 0.2[V])를 초과하여 입력된 것으로 판단을 하고, 제1, 2전력제어소자(FET1, FET2)를 TURN OFF로 제어를 하게 된다. 이후 재가동을 하지 않도록 중앙제어장치(17)의 A, B 출력을 정지하도록 제어를 함으로써, 발열선(HW1)과 감열선(SW1)이 쇼트될 경우, 이로 인해 사고로 이어지지 않도록 안전하게 제어를 할 수 있다.
또한, 전열기구인 전기장판의 고장 유형에는, 장기간 사용시 스위칭 소자가 고장으로 스위칭 제어가 안되는 고장유형이 발생된다. 이렇게 스위칭 제어가 안될 경우, 과열에 의해 게이트에 LOW 신호를 보내더라도 스위칭 소자는 계속 ON 상태가 유지되어 과열에 의한 사고로 이어질 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치에서는 이와 같은 고장 유형을 방지하기 위해 출력제어부(14, 15)의 구성을 전력제어소자 2개를 직렬로 연결하고, 중앙제어장치(17)에서는 동시에 게이트 출력단자(A, B)를 통하여 2개의 전력제어소자의 게이트에 동일한 제어신호를 전송하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
즉 예를 들면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발열선(HW1)의 일측 단자(H1)는 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되고 발열선(HW1)의 타측 단자(H2)는 제1 전력제어소자(FET1)의 일측 단자와 접속되며, 상기 제1 전력제어소자(FET1)의 타측단자와 타측 단자와 일측 단자가 접속되어 직렬로 연결된 제2 전력제어소자(FET2)의 타측 단자는 직류전원부의 제2전원부(DC-)와 접속이 된다. 상기 제1 전력제어소자(FET1)와 제2 전력제어소자(FET2)의 게이트1, 2는 각각 중앙제어장치(17)의 제1, 2게이트 출력단자(A, B)에 연결되되, 상기 중앙제어장치(17)는 항상 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 동일한 제어신호를 전송한다. 또한, 제1 전력제어소자(FET1)의 양측단자에는 제6분배저항(R6)이 병렬로 접속되고, 제2 전력제어소자(FET2)의 양측단자에는 제7분배저항(R7)이 병렬로 접속되며, 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 접속점은 중앙제어장치(17)의 동작감시신호단자(SV4)와 접속이 된다. 또한, 상기 접속점은 제2마이컴 보호용 제4다이오드(D4)를 통하여 동작전원부의 +5[V] 측에 연결한다. 본 본 발명의 일 실시 예에서는 제4다이오드(D4)를 포함하는 제2마이컴 보호회로에 의해 상기 접속점과 접속된 동작신호감지단자(SV4)에는 5[V]가 초과되는 전압은 제4다이오드(D4)에 의해 동작전원부(11)로 흘려서, 최대전압이 5[V]가 입력되도록 제한되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 온도제어장치는 상기 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 접속점의 감시전압이 온도 감지주기 에서 1 ~ 4[V] 범위 중에서 설정되도록 저항값을 배분하도록 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값을 23~21: 1~3 범위로 배분한 것을 특징으로 한다. 경우 중앙제어장치(17)는 동작신호감지단자(SV4)에 온도 감지주기에 설정된 정상 감시전압의 범위를 초과나 미만으로 전압이 입력되면, 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 OFF 제어신호(LOW신호)를 출력하고, 이후 재가동을 하지 않도록 중앙제어장치(17)의 A, B 출력을 정지하도록 제어를 한다. 또한, 중앙제어장치(17)는 동시에 표시부(16)의 LED를 경고 형태로 점멸시키도록 제어를 한다.
본 발명의 바람직한 실시 예에서는 상기 감시전압을 온도 감지주기에 2.5V의 전압값을 가지도록 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값을 21.5: 2.5로 배분하여 설정한 것을 특징으로 한다. 이 경우 중앙제어장치(17)는 동작신호감지단자(SV4)에 온도감지주기에 정상 감시전압의 범위인 3[V]를 초과하는 전압이나, 2V 미만으로 전압이 입력이 되면, 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 OFF 제어신호(LOW 신호)를 출력하고, 이후 프로세스가 진행되지 않도록, 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)의 출력을 정지하도록 제어를 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 출력제어부(14, 15)는 위와 같은 제1 전력제어소자(FET1)와 제2 전력제어소자(FET2)를 직렬로 접속한 구성을 포함함으로써, 어느 하나의 전력제어소자가 쇼트불량이 되더라도 안전하게 발열회로를 차단이 되도록 할 수 있는 효과를 가진다.
바람직한 실시 예인 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값을 21.5: 2.5로 배분하여 설정한 상태에서 도 1을 참조하여 설명하면 다음과 같이 동작된다.
정상적인 발열주기에서는 400ms 동안 FET1과 FET2는 ON 상태이고, 이어지는 온도감지주기인 20ms 동안 OFF 상태로 번갈아 이어지면서 발열선(HW1)에 전류가 흐르게 된다. 발열주기인 400ms 동안은 FET1과 FET2는 ON 상태로 타측 단자가 접지와 접속된 상태이므로 동작신호감지단자(SV4)에는 접지 전위인 0[V]가 나타나게 된다. 이어지는 온도감지주기인 20ms 동안 제1 전력제어소자(FET1)와 제2 전력제어소자(FET2)가 OFF 상태에서는 제6분배저항(R6)의 일측 단자와 제7분배저항(R7)의 타측 단자에는 24V의 전압이 걸리게 된다. 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값을 21.5:2.5로 배분되어 있어 정상적으로 동작되는 경우에는 동작신호감지단자(SV4)의 감시전압은 2.5V가 마이컴(20)으로 입력된다.
만약 제1 전력제어소자(FET1) 내부 쇼트불량이 발생할 경우에는 제6배분저항(R6)은 병렬로 접속된 제1 전력제어소자(FET1)에 의해 쇼트된 상태이므로 제7배분저항(R7)의 양단에는 20ms 동안 24V 펄스전압이 인가되며, 이에 따라 제2마이컴 보호회로에 의해 동작신호감지단자(SV4)의 감시전압은 최대전압인 5[V]가 입력된다. 중앙제어장치(17)는 동작신호감지단자(SV4)에 3[V]를 초과하는 전압이 입력된 것으로 판단을 하여 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 OFF 제어신호(LOW 신호)를 출력하도록 함으로써, 제2 전력제어소자(FET2)가 OFF로 동작이 되여 발열선(HW1)의 직류전원 공급이 차단될 수 있다.
또한, 만약, 제2 전력제어소자(FET2) 내부 쇼트불량이 발생할 경우에는 제7배분저항(R7)은 병렬로 접속된 제2 전력제어소자(FET2)에 의해 쇼트된 상태이므로 동작신호감지단자(SV4)는 접지전위인 0[V]가 입력된다
중앙제어장치(17)는 동작신호감지단자(SV4)에 2[V] 미만의 전압이 입력된 것으로 판단을 하여 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 OFF 제어신호(LOW 신호)를 출력하도록 제어함으로써, 제1 전력제어소자(FET1)가 OFF로 동작이 되여 발열선(HW1)의 직류전원 공급이 차단될 수 있다.
또한, 발열선(HW1)의 단선 시에는 제1 전원부(DC+)가 차단된 상태이므로 온도감지주기에 동작신호감지단자(SV4)는 접지전위인 0V가 입력된다. 이 경우, 중앙제어장치(17)는 동작신호감지단자(SV4)에 정상 감시전압 범위 미만의 전압이 입력된 것으로 판단을 하여 제1, 2 게이트 출력단자(A, B)에 OFF 제어신호(LOW 신호)를 출력하도록 제어하며, 이후 프로세스를 중단하고 동시에 표시부(16)의 LED를 경고 형태로 점멸시키도록 제어를 한다. 따라서 사용자는 즉시 고장 상황을 감지할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류전원을 이용한 전열기구의 온도제어장치는 발열선의 전구간에 걸쳐서 정확하게 온도 변화를 감지하여 정확한 온도제어를 수행할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 직류전원을 이용한 전열기구의 온도제어장치는 국부적인 과열이나, 발열선의 절연파괴 등으로 인한 나선 접촉, 발열선의 단선에 의한 고장 시에도 이를 신속하게 감지하여 회로를 차단하고, LED 점멸에 의한 알림 수단을 제공함으로써, 전열기구를 안전하게 보호할 수 있다.

Claims (10)

  1. 직류전원을 사용하는 전열기구의 온도제어장치에 있어서,
    상기 전열기구의 발열케이블은,
    감온성 절연수지로 피복되고 상기 직류전원에 의해 발열되는 발열선; 및
    상기 피복된 감온성 절연수지 외부를 나선형으로 감은 감열선; 을 포함하며,
    상기 온도제어장치는,
    상기 직류전원을 전력제어소자를 통해 상기 발열선에 공급하여 상기 발열선을 발열시키는 발열주기와 상기 발열선에 펄스신호 전압을 공급하여 온도 감지전류를 발생시키는 온도감지 주기를 번갈아 가지도록 제어를 하며,
    상기 온도감지 주기에는 상기 펄스신호 전압에 의해 상기 감온성 절연수지를 통해 상기 감열선에 흐르는 상기 온도 감지전류에 의한 온도감지 전압신호를 입력받아서, 상기 온도감지 전압신호에 따라 상기 발열주기에 상기 전력제어소자를 제어하여 상기 전열기구의 발열온도를 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 상기 온도감지 주기에 OFF/ON 출력신호를 상기 전력제어소자의 게이트로 1회 이상 출력하여 상기 전력제어소자를 TURN-OFF/ON 시키는 것에 의해 상기 펄스신호 전압을 생성시키는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 상기 온도감지주기를 300 ~ 1000ms 마다 15 ~ 30ms 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 온도제어장치는
    상기 펄스신호 전압이 상기 감온성 절연수지를 통하여 상기 감열선으로 흐르는 온도 감지전류를 감지하여 온도감지 신호전압을 형성하는 온도감지 신호부;
    상기 온도감지 신호부의 온도감지 신호전압으로부터 입력된 신호전류를 증폭하여 온도감지 제어전압을 발생하는 온도감지 제어전압 변환부;
    상기 발열선에 공급하는 직류전원의 공급을 제어하는 상기 전력제어소자를 포함하는 출력제어부; 및
    프로그램된 프로세스에 따라 상기 전력제어소자에 발열주기 및 감지주기에 대한 제어신호를 전송하고, 상기 온도감지 제어전압 변환부의 온도감지 제어전압을 입력받아 상기 출력제어부의 상기 전력제어소자의 ON/OFF를 제어하는 것을 포함하는 중앙제어장치; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 온도감지 신호부는
    상기 감열선의 일측 단자(S1)와 타측 단자(S2)는 제1감지노드(SV1)에서 접속이 되며, 상기 제1 감지노드(SV1)와 상기 발열선의 타측 단자에 접속된 제1단자노드(nd1) 사이에 제1 전압감지 콘덴서를 접속하는 것을 특징으로 하며, 상기 제1 전압생성 콘덴서에 상기 발열선의 발열온도에 따른 온도감지 신호전압이 형성되는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 전압생성 콘덴서는 상기 감온성 절연수지의 캐패시터 용량의 100 ~ 1000 배에 해당하는 캐패시터 용량값을 가지는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 온도감지 제어전압 변환부는, 상기 제1감지노드(SV1)로부터 입력단 다이오드(D2)를 거쳐서 제2분배저항(R2)과 직렬로 연결된 제3분배저항(R3)을 거쳐서 제2 전원부(DC-)와 접속이 되며,
    상기 제2분배저항(R2)과 제3분배저항(R3)과의 접속점은 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 베이스와 접속이 되고,
    상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 컬렉터는 제4저항(R4)를 거쳐서 상기 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되며,
    상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 제2콘덴서(C2)가 병렬로 접속된 제5저항(R5)를 거쳐서 상기 제2 전원부(DC-)와 연결이 되며, 상기 제1트랜지스터(TR1)의 이미터는 중앙제어장치의 온도감지 전압단자로 입력되는 것을 특징으로 하고,
    상기 중앙제어장치는 상기 온도감지 전압단자로 입력된 온도감지 제어전압이 설정된 온도전압보다 높은 것으로 판단이 되면, 상기 전력제어소자를 TURN OFF로 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 온도제어장치는 내부 온도제어 회로에 직류 동작전원을 공급하는 동작전원부를 더 포함하며,
    상기 온도감지 제어전압 변환부는 상기 전류 증폭형 제1트랜지스터(TR1)의 이미터와 제2콘덴서(C2)의 접속점에 상기 중앙제어장치 보호용 제3다이오드(D3)를 통하여 상기 동작전원부의 + 5[V]측에 연결하는 것을 특징으로 하고,
    상기 중앙제어장치는 상기 온도감지 전압단자에 입력되는 온도감지전압이 미리 설정된 정상 입력전압의 범위인 4.8[V]를 초과하거나, 0.2[V]미만인 것으로 판단이 되면, 상기 전력제어소자를 TURN OFF로 제어를 하고, 이후 재가동을 하지 않도록 중앙제어장치의 상기 전력제어소자의 제어출력을 정지하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 발열선의 일측 단자(H1)는 상기 직류전원의 제1 전원부(DC+)와 접속되고,
    상기 발열선의 타측 단자(H2)는, 상기 출력제어부의 제1 전력제어소자(FET1)의 일측 단자와 접속되며, 상기 제1 전력제어소자의 타측단자와 일측단자가 접속되어 직렬로 연결된 제2 전력제어소자의 타측단자가 제2 전원부(DC-)와 접속되는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전력제어소자와 제2 전력제어소자의 게이트는 각각 상기 중앙제어장치의 게이트 출력단자(A, B)에 연결되며,
    상기 제1 전력제어소자의 양측단자에는 제6분배저항(R6)이 병렬로 접속되고, 상기 제2 전력제어소자의 양측단자에는 제7분배저항(R7)이 병렬로 접속되고, 상기 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)가 접속되는 접속점2는 중앙제어장치의 동작감시신호단자(SV4)와 접속이 되고,
    상기 접속점2는 제4다이오드(D4)를 통하여 상기 동작전원부의 +5V 측에 연결이 되고, 상기 제6분배저항(R6)과 제7분배저항(R7)의 저항값은 상기 접속점2의 감시전압이 정상적인 온도 감지주기에서 1 ~ 4[V] 범위 중에서 설정되도록 저항값을 배분한 것을 특징으로 하며,
    상기 중앙제어장치는 온도 감지주기에서 상기 동작신호감지단자(SV4)에 설정된 정상 감시전압의 범위를 초과하거나, 미만인 전압이 입력되면, 상기 게이트 출력단자(A, B)를 통하여 OFF 제어신호를 출력하고, 이후 재가동을 하지 않도록 상기 중앙제어장치의 상기 게이트 출력단자(A, B)의 출력을 정지하도록 제어를 하는 것을 특징으로 하는 온도제어장치.
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